Часть 4. Системы человек-машина 6 страница

Для более глубокого понимания сущности этих этапов необходимо ознакомиться с процессом речеобразования. При произношении звуков речи могут участвовать три источника: голосовой, шумовой и импульсный. Голосовой источник принимает участие в произношении звонких звуков. В этом случае под действием давления со стороны легких голосовые связки совершают движения почти периодического характера. В исходном состоянии они сомкнуты, под действием легочного давления они раскрываются (рис. 6.10,a). Промежуток времени между двумя очередными моментами начала раскрытия связок называется периодом Т₀ основного тона речи. Величина, обратная Т₀, есть частота основного тона речи. У мужчин она составляет 80–100 Гц, у женщин – 160–320 Гц.

Звуковая волна, создаваемая голосовыми связками, проходит через речевой тракт и претерпевает существенные изменения, принимая на выходе изо рта говорящего форму, изображенную на рис. 6.10, б. Речевой тракт составляют полости гортани, рта и носа, он представляет собой акустическую трубу с неодинаковой по продольной оси площадью поперечного сечения. Изменив продольный профиль трубы (это достигается изменением положения языка, губ и челюстей), можно получить другую звуковую волну на ее выходе (рис. 6.10, в).

При произношении щелевых звуков («с», «ш» и др.) участвует шумовой источник. Он образуется в месте сужения речевого тракта: под действием легочного давления воздух в месте сужения проходит с большой скоростью, образуя завихрения (рис. 6.10, г). Глухие звуки («п», «т» и др.) возникают при внезапном спаде избыточного давления после перекрытия речевого тракта (импульсный источник возбуждения).

В процессе артикуляции происходит переход от одного источника к другому, замена одного профиля трубы другим. Зная динамику их изменения во времени, можно полностью охарактеризовать (распознать) данный речевой сигнал. Для этого пользуются так называемыми спектрограммами речи G(f,t), представляющими собой зависимость интенсивности G речевого сигнала от частоты колебаний и времени t. Графическое изображение зависимости G(f,t) носит название видеоспектрограммы речевого сигнала (рис. 6.11).

В текущем спектре G(f,t) для каждого момента времени t содержатся сведения о типе источника возбуждения речевого тракта и о профиле акустической трубы. Эти данные определяются распределением энергии G по оси частот f для момента времени t. Вся же спектрограмма характеризует динамику речевого тракта и источников возбуждения отдельных звуков. По этой причине текущий спектр и используется при автоматическом распознавании речи.

На практике пользуются не непрерывным сигналом G(f,t), а его дискретными значениями через каждые 5–15 м/сек. Тогда текущий спектр представляется упорядоченной во времени последовательностью отсчетов (N-мерным вектором):

G(f, t₁), G(f,t₂),..., G(f, t_N),

где N носит название длины речевого сигнала.

Спектрограммы G(f,t) даже для одного и того же речевого сигнала (звука, слова, фразы) чрезвычайно изменчивы. Их вид зависит от состояния и индивидуальных особенностей диктора, громкости и темпа произношения речи, расстояния говорящего от микрофона и т. п. Вместе с тем за изменчивостью спектрограмм можно проследить и устойчивые признаки, проявляющиеся во всех спектрограммах одного и того же речевого сигнала. Поэтому при распознавании речи для каждого речевого сигнала определяется некоторая эталонная спектрограмма и правила преобразования всех остальных спектрограмм данного речевого сигнала в эталонную. Это преобразование осуществляется путем нелинейного расширения-сжатия полученной спектрограммы по оси времени и интенсивности.

Важнейшим понятием при распознавании сигналов является класс. Под ним понимается условное обозначение множества сигналов, передающих один и тот же смысл сообщения или выполняющих определенную постоянную функцию при передаче смысла.

В общем случае при распознавании слитной речи (фраз) классами сигналов являются фонемы. Под ними понимаются элементарные звуки речи, которым при написании соответствует одна и та же буква или символ. При распознавании в полученном сигнале определяются все фонемы, и по их последовательности складывается вся фраза. Такая задача возникает при организации устного диалога между человеком и ЭВМ.

При управлении машинами достаточно обычно ограниченного числа (в пределах нескольких десятков) команд. В этом случае классами распознаваемых сигналов могут служить отдельные слова из заранее выбранного словаря. Каждый класс (слово) сопоставляется с условным кодом, порядковым номером или наименованием команды. Задача распознавания заключается в определении этого кода или номера слова в словаре.

При распознавании слов устной речи используются два подхода – модельный и логический.

При модельном подходе строят математические модели всех возможных сигналов каждого слова, например его текущих спектров. Построить модель – это значит указать некоторый способ получения этих сигналов. Для каждого слова выбранного словаря должна быть задана исходная спектрограмма, а также правила генерирования всевозможных производных спектрограмм из этой исходной. Эти правила позволяют получить сигналы слова с различным темпом и интенсивностью произношения. Если математические модели сигналов всех слов заданы, то распознаваемый сигнал сравнивается с сигналами (спектрограммами) G(f,t), генерируемыми моделью. Этот сигнал относится к тому слову, спектрограмма которого (эталонная или одна из производных) наиболее близко совпадает со спектрограммой произнесенного слова. Для сокращения времени, затрачиваемого на распознавание, его производят целенаправленным образом, используя методы динамического программирования.

При логическом подходе к распознаванию для каждого слова определяются наиболее характерные признаки, принимающие одинаковое значение на всех возможных сигналах одного слова или группы слов. Примерами таких признаков являются: наличие или отсутствие шипящего звука в слове, наличие одного, двух и более гласных звуков, длина слова, местоположение ударного слога, наличие смычки внутри слова и др.

Распознавание неизвестного слова заключается в вычислении для него значений признаков и в проверке логических условий, которым должны удовлетворять значения признаков для каждого слова. Проверку логических условий удобно организовать в виде логической пирамиды или дерева. За кажущейся простотой логических методов скрываются огромные трудности, связанные с выделением устойчивых характерных признаков. Поэтому наибольшие успехи достигнуты при использовании модельных методов распознавания устной речи.

При распознавании речи возникают задачи обучения распознаванию. Обучение заключается в определении типичного (эталонного) сигнала каждого слова на основании многократного произношения всех слов выбранного словаря. Обучение обычно предшествует собственно распознаванию. Оно будет наиболее эффективным в том случае, если будет осуществляться для каждого диктора в отдельности, т. е. если будет производиться индивидуальная подстройка распознавателя речи под диктора.

Распознаватели речи могут выполняться как на базе специализированных устройств, так и на основе универсальных ЭВМ. Одно из таких устройств разработано в Институте кибернетики АН УССР (рис. 6.12). Это устройство выполнено на базе ЭВМ БЭСМ-6 и предназначено для распознавания отдельно произносимых слов. Устройство обучаемо, что позволяет изменять словарь и подстраиваться под диктора. Словарь состоит более чем из 200 слов.

Работает устройство ввода речевых сигналов следующим образом. Если диктор (оператор) хочет, чтобы ЭВМ распознала устную команду, он нажимает кнопку и произносит нужное слово. Электрический сигнал микрофона подвергается спектральному анализу. Анализатор речи вычисляет текущий спектр речевого сигнала и через коммутатор и преобразователь аналог-код передает в ЭВМ те спектральные элементы, которые вырабатываются анализатором при нажатой кнопке. Так в памяти ЭВМ оказывается текущий спектр слова (команды).

Этот спектр сравнивается с эталонами всех спектрограмм выбранного словаря. Эталоны для каждого слова состоят из исходной спектрограммы и производных от нее, получаемых из исходных путем нелинейного растяжения по осям времени и интенсивности.

В результате сравнения, которое осуществляется методом динамического программирования, распознаваемый сигнал отождествляется с одним из слов выбранного словаря. Результат распознавания высвечивается на световом табло. Это позволяет оператору убедиться в правильности ввода команды. Если несколько слов претендуют на ответ распознавания, вырабатывается отказ от распознавания и выдается звуковой сигнал, означающий, что ранее произнесенное слово следует повторить.

Подстройка под диктора позволяет достичь высокой достоверности распознавания – для словаря из 200 слов 0,5% ошибок и 2,5% отказов от распознавания.

Осуществление автоматического распознавания речи аналогично тому, как это могут делать ухо и мозг человека, станет возможным только на основе детального изучения фонетических, грамматических, контекстуальных и семантических закономерностей человеческой речи и процесса ее восприятия (а также понимания) человеком. Важным условием решения этой задачи является исследование процесса овладения речью.

В то же время очевидно, что для заданной точности распознавания может быть найдено компромиссное решение: компромисс между сложностью лингвистических взаимосвязей, объемом словаря и числом дикторов.

Деятельность оператора в системе «человек-машина»

Психологический анализ деятельности

В предыдущих главах рассмотрены процессы информации, ее анализа, хранения и переработки, принятия решения и осуществления управляющих воздействий. Все эти процессы протекают не изолированно. Они включены в единую деятельность, выполняемую оператором. Чтобы понять соотношение между этими процессами, нужно произвести анализ операторской деятельности в целом, рассмотреть ее структуру и механизмы регуляции.

При всем своем своеобразии деятельность любого отдельного человека (индивида) включена в систему общественных отношений. Вне этих отношений она вообще не существует. Как именно она существует – это определяется характером общественных (прежде всего производственных) отношений, которые порождаются развитием производства и не могут реализоваться иначе, как в деятельности конкретных людей.

Как особый вид деятельности операторская деятельность сформировалась в связи с достижениями научно-технического прогресса, с развитием сложной техники (систем управления, систем дистанционной связи и т. п.)

Развитие техники приводит к тому, что человек постепенно освобождается от энергетических, транспортных и технологических функций; его основными функциями становятся программирование работы машин, управление ими и контроль за их работой. В современном автоматизированном производстве человек переходит от непосредственного участия в технологическом процессе к выполнению подготовительных и контрольных функций.

Такое изменение характера труда, естественно, выдвигает новые требования к человеку: к его профессиональным знаниям и навыкам, общей культуре, к его психологическим качествам; формируется специфический вид трудовой деятельности.

Техника используется как средство расширения возможностей человека. Освобождая человека от необходимости выполнять рутинную механическую работу, она открывает новые перспективы развития творчества.

Отношение «человек–техника» было и остается отношением «субъект труда – орудие труда». Любая машина (в том числе и электронная вычислительная машина) – это орудие труда, пользуясь которым человек достигает сознательно поставленной цели. Поэтому при изучении автоматизированных систем управления (систем «человек – машина») центральным является вопрос об особенностях деятельности человека. Технические звенья системы должны рассматриваться относительно этой деятельности как ее орудия.

Операторская деятельность представляет собой специфический вид трудовой деятельности человека, возникший на определенной ступени развития техники и производства в целом. Поэтому прежде чем переходить к психологическому анализу операторской деятельности, кратко рассмотрим трудовую деятельность человека вообще

Трудовая деятельность человека, как и любая другая, исходит из определенных мотивов к направлена на достижение определенных целей. В общем смысле мотив – это то, что побуждает человека к деятельности, а цель – то, чего он стремится достигнуть в результате деятельности.

Когда речь идет о мотивах, имеются в виду некоторые субъективно переживаемые побуждения к деятельности. Для субъекта мотив выступает как непосредственная побудительная сила, как непосредственная причина деятельности. При этом источник мотива нередко усматривают в мышлении, в сознании.

Но действительной основой мотива человека являются потребности, т. е. объективная необходимость – его нужда в веществе, энергии и информации. Принято различать потребности материальные (в пище, одежде, жилище) и духовные, или культурные (в общении с людьми, образовании, чтении и т. д.). Эти потребности так или иначе отражаются в сознании. Мотив и есть осознанная, т. е. отраженная в сознании, потребность. Человеческие потребности, а следовательно и мотивы, развиваются в процессе исторического развития общества.

Цель деятельности – это идеальный, или мысленно представляемый, ее результат. Отношение «мотив – цель» образует своего рода «вектор», направляющий деятельность человека. Этот «вектор» существенно влияет на протекание психических процессов (перцептивных, мнемических, интеллектуальных), включенных в деятельность, на психические состояния и динамику работоспособности человека. В течение жизни у каждого человека формируется определенная система мотивов, одни из которых становятся доминирующими, другие – подчиненными. Определенную систему образуют также и цели, которые человек перед собой ставит.

Нужно отметить, что идеальная подготовка к той или иной трудовой деятельности и образование целей с развитием производства становятся все более сложными. Формирование представления о результате труда у современного человека предполагает овладение системой знаний о технике, технологии, о производстве в целом. Конечной целью любой трудовой деятельности является получение некоторого полезного (и для данного человека, и для общества) результата. Но достигается эта цель поэтапно, путем решения частных задач. Так, цель деятельности диспетчера аэропорта состоит в том, чтобы обеспечить безопасный взлет, пролет и посадку в районе данного аэропорта. Выполняя эту деятельность, он решает такие задачи, как установление связи с бортом самолета, оценка воздушной обстановки, получение информации о погоде и т. д. Каждая такая задача состоит из более мелких: просмотр расписания, наблюдение за экраном радиолокатора, запросы и т. д.

Элемент деятельности, направленный на выполнение простой текущей задачи, в психологии принято называть действием. Более детальный анализ позволяет разложить действие на составляющие его рабочие движения (в случае, когда речь идет о моторных действиях). При таком рассмотрении действие выступает как система определенным образом организованных движений (рук, ног, всего тела). Фактором, организующим движения в систему (в действие), является задача.

В принципе деятельность человека может быть описана как система последовательно выполняемых действий. Иногда некоторые действия выполняются параллельно, т. е. одновременно. Нужно отметить, однако, что деятельность не есть простая сумма элементарных действий. Описание деятельности как аддитивного процесса дает лишь весьма приблизительное представление о ее структуре. В действительности соотношение действий в структуре деятельности более сложно. В процессе ее выполнения происходит объединение и расчленение действий, переходы одного в другое, преобразование действий и т. п. Действие характеризуется высокой динамичностью и пластичностью. Каждое из них формируется по ходу деятельности. Одно и то же действие человек может выполнять разными способами. Способ выполнения каждого последующего действия зависит от результатов предшествующего и конкретных условий деятельности. В процессе деятельности так или иначе проявляются творческие способности человека.

Деятельность выступает как сложная, иерархически построенная, многоуровневая и динамически развивающаяся структура с большими возможностями переключений от уровня к уровню.

Все это создает трудности для использования методов ее формального описания. Пожалуй, только стереотипная, доведенная до автоматизма («задолбленная») деятельность может быть описана как сумма последовательно выполняемых действий. Но в этом случае целесообразно заменить человека автоматическим устройством.

Следует отличать действие как элемент человеческой деятельности от операции, являющейся элементом технологического процесса. Иногда операция может выполняться человеком при помощи одного действия, иногда ее выполнение требует нескольких действий. В автоматизированном производстве многие операции выполняются машинами, т. е. без участия человека. В этой связи возникает важный вопрос о согласовании хода технологического процесса с деятельностью человека, об учете особенностей человеческой деятельности при организации технологического процесса и режима труда.

В каждый момент выполнения действие характеризуется высокой степенью соответствия (адекватностью) предмету, орудиям и условиям труда. Это возможно только потому, что предмет, орудия и условия труда отражаются в сознании человека, а возникающее отражение (субъективное отражение) выступает в роли регулятора выполняемого действия.

Иначе говоря, информация о текущем состоянии предмета, на который направлено действие, а также о внешних условиях выступает в форме его субъективного образа. Существенной его характеристикой является оперативность. «Оперативный» – значит приспособленный для правильного и быстрого практического выполнения тех или иных задач.

Идеальное специализированное отражение преобразуемого в действии объекта (предмета, процесса, явлений), складывающееся по ходу выполнения конкретного действия и подчиненное задаче этого действия, называется оперативным образом. Оперативный образ и выступает в роли основного регулятора действия, обеспечивая его адекватность предмету, орудиям и условиям труда. Именно благодаря оперативному образу отдельное движения органов человеческого тела организуются в единую систему – действие. Оперативный образ формируется в ходе процессов приема и переработки информации и вместе с тем является фактором, направляющим их течение и организацию.

Важная роль в регуляции действий принадлежит сигналам обратной связи, несущим информацию о результате выполненного действия. Эти сигналы включаются в оперативный образ, корректируют его.

Итак, механизм регуляции действия представляет собой замкнутую систему (рефлекторное кольцо), включающую процессы приема и переработки информации, принятия решения и сигналы обратной связи, возникающие при выполнении действия.

Все, что говорилось выше, относится прежде всего к так называемым внешним действиям: действиям, посредством которых человек преобразует вещественные предметы (перемещает их в пространстве, разделяет на части и соединяет и т. д.) и которые доступны непосредственному наблюдению. Но любая трудовая деятельность человека включает и внутренние, умственные действия (действия, выполняемые в уме). Как показывают исследования, эти внутренние действия формируются на основе внешних в результате интериоризации (что в переводе с латинского значит «превращение во внутреннее»). При этом структура внешнего действия подвергается специфической трансформации. Внутреннее действие является свернутым и обобщенным. Решающая роль в процессе интериоризации принадлежит слову, в котором фиксируются существенные свойства предметов (и явлений) объективной действительности, а также способы оперирования как самими предметами, так и информацией о них. Существенным условием интериоризации является общение человека с другими людьми.

Оперирование словами и другими знаковыми системами дает возможность человеку решать определенный класс задач в идеальном плане (без обращения к материальным предметам и оперирования с ними). Именно во внутреннем плане формируются программы деятельности человека.

В трудовой деятельности человека имеет место не только интериоризация действий, но и их экстреоризация (от слова «экстериус» – внешний), т. е. превращение внутренних действий во внешние.

Таким образом, механизм психической регуляции деятельности человека имеет сложное строение. Он включает несколько уровней:

уровень ощущений и восприятия;

уровень представлений;

уровень речемыслительных процессов.

Первый уровень относится к отдельным действиям. Он обеспечивает в основном регуляцию внешних действий, соответствие данного конкретного действия данным конкретным условиям, предмету и орудию труда.

Второй уровень относится также и к внутренним действиям; обобщенность и панорамность представления (вторичного образа) создает возможность варьирования приемов выполнения действий и их переноса из одних условий в другие.

Третий уровень относится главным образом к внутренним действиям (к умственному плану деятельности). Благодаря тому в речемыслительных процессах отражаются общие и существ связи между явлениями (их закономерности), этот уровень обеспечивает возможность предвидения хода событий и планирования деятельности в целом.

В реальной трудовой деятельности перечисленные уровни ее регуляции выступают в неразрывном единстве.

Однако в зависимости от конкретных задач тот или иной уровень становится ведущим. Так, при выполнении задачи слежения за движущимся объектом ведущим является первый из перечисленных уровней. При поиске неисправностей в аппаратуре ведущую роль берет на себя второй и третий уровни.

Соотношение между этими уровнями изменяется в процессе обучения и тренировки, при формировании навыков.

Нейрофизиологической основой деятельности является функциональная система (рис. 7.2). Ее теория разработана академиком П. К. Анохиным.

Рис. 7.2. Функциональная система (по П. К. Анохину):

А – афферентный синтез: ОА – обстановочная, афферентация; ПА –пусковая афферентация; Б – принятие решения; В – формирование акцептора результатов действия и эфферентной программы самого действия; Г–Д – получение результатов действия и формирование обратной афферентации для сличения полученных результатов с запрограммированными

Принципиально структура операторской деятельности такова же, как и любой другой трудовой деятельности. Однако она обладает некоторыми специфическими особенностями, определяемыми тем, что оператор не имеет возможности взаимодействовать с предметом своего труда (объектом управления) непосредственно: информация об объекте управления передается ему через систему технических устройств, его воздействие на объект также передается через систему технических устройств. Оператор воспринимает не самый объект, а его информационную модель, манипулирует же он с органами управления.

Элементарная схема деятельности оператора может быть описана следующим образом.

Есть некоторый объект управления. Цель деятельности человека-оператора состоит в том, чтобы перевести этот объект из одного состояния в другое (из состояния а' в состояние а») или, напротив, удержать объект в некотором состоянии (состоянии а'), преодолевая внешние возмущения. На основе имеющейся в его распоряжении информации (в том числе и накопленной в профессиональном опыте) в голове человека-оператора формируется некоторый образ задаваемого (будущего) состояния объекта управления, т. е. образ того состояния, которое должно быть достигнуто в результате деятельности. Назовем его образ-цель. Воспринимая сигналы, поступающие от средств отображения информации, человек-оператор оценивает текущее состояние объекта управления, сличает ее с образом-целью, анализирует возможные способы достижения цели, принимает решение и выполняет управляющее действие (или систему действий). Сигналы, возникающие в результате этого действия, передаются через технические устройства к объекту управления, изменяя его состояние. Сигналы об изменившемся состоянии поступают к оператору. Он оценивает, достигнута ли цель (или решена ли задача, если речь идет об отдельном действии), и в зависимости от результата оценки либо прекращает деятельность, либо выполняет новое управляющее действие: в последнем случае цикл управления повторяется.

Человека-оператора принято рассматривать как звено системы «человек – машина». Но это звено особого рода, организующее всю систему и направляющее ее на достижение определенного, заранее заданного результата. Именно на долю человека приходится постановка цели и определение частных задач, решение которых обеспечивается ее достижением, выполнением управляющих действий и оценкой достигаемых благодаря им результатов. Технические устройства – это средства, которыми человек пользуется при выполнении действий и которые несут ему информацию о результатах этих действий.

Формирование в сознании оператора образа-цели в системах «человек – машина» опосредствуется техническими устройствами. Образ строится с учетом этих средств. Вместе с тем он определяет критерии селекции информации о текущем состоянии объекта, а также ее интеграции. Формирование образа-цели связано с прогнозированием (предвидением) изменений объекта управления. Как показывают исследования, прогнозирование является неотъемлемым компонентом любой целенаправленной деятельности. Если средства отображения информации затрудняют прогнозирование событий (что иногда бывает), то это приводит к нарушению деятельности: к ошибкам, сбоям, запаздыванию в выполнении действий.

Особенность оперативного образа, формирующегося в процессе приема информации о текущем состоянии объекта управления, состоит в том, что он имеет два уровня. Первый – это восприятие тех физических явлений, которые выступают в роли носителей информации (положение стрелки на шкале контрольно-измерительного прибора, комбинаций световых пятен на экране электроннолучевой трубки и т. п.). Второй – трансформация образа, отражающего показания приборов, в представление о состоянии управляемого объекта.

Задача, стоящая перед оператором (перевести объект управления из состояния а' в состояние а»), выступает субъективно, т. е. для него, как «рассогласование» образа-цели и оперативного образа. Это «рассогласование» определяет направление поиска решения, в процессе которого происходит выдвижение гипотез, их оценка и принятие решения. Обычно этот процесс протекает в плане внутренних действий, но иногда (у неопытных операторов) в поиск решения включаются и внешние действия.

Принятие решения неразрывно связано с формированием плана, или программы, деятельности. Однако такая программа обычно не представляет собой жесткой однозначной системы предписаний, а выступает в обобщенной форме; в зависимости от конкретных условий пути ее «развертки» могут быть различны. Она представляет скорее систему подзадач, чем детальный перечень всех элементов действия (входящих в него движений).

Программа, так же как и все другие компоненты механизма, регулирующего операторскую деятельность, строится с учетом тех технических устройств, при помощи которых она реализуется.

Как отмечалось, выполнив то или иное управляющее действие, оператор изменяет состояние управляемого объекта. Возникающий при этом и передаваемый через систему технических устройств сигнал является не просто сигналом о новом состоянии объекта управления, но вместе с тем и сигналом о результате выполненного оператором действия (обратная связь). Он несет информацию о том, достигнута ли цель (решена ли задача). Образ этого сигнала сличается с образом-целью.

Итак, основными «психологическими составляющими» операторской деятельности является образ-цель, оперативный образ; прогнозирование хода событий, принятие решения, программа (план) действий, восприятие информации об их результатах (обратная связь).

При разработке систем «человек – машина» и ее технических звеньев важно учитывать не только характеристики отдельных анализаторов, перцептивных, мнемических и интеллектуальных процессов, но и структуру операторской деятельности в целом. Системы отображения информации и органы управления должны конструироваться с учетом основных «психологических составляющих» операторской деятельности. Структура операторской деятельности должна учитываться также при определении роли и места человека в системе «человек – машина», выявлении факторов, влияющих на ее эффективность и надежность, распределении функций между оператором и машиной, обучении и тренировке операторов.

Факторы, влияющие на операторскую деятельность

Особенности труда операторов определяются следующими тенденциями развития производства:

С развитием техники увеличивается число объектов (и их параметров), которыми необходимо управлять. Это усложняет и повышает роль операций по планированию и организации труда, по контролю и управлению производственными процессами.

Дата добавления: 2014-12-29