Эксплуатация систем «человек-машина». Системы «человек-машина»

В системах на основе ЭВМ значительное место занимают спе­цифические вопросы согласования работы человека - «операто­ра» - и технологической части системы - «машины». Как само­стоятельная проблема «человек-машина» возникла в явном виде совсем недавно. Обусловлено ее возникновение целым рядом факторов научно-технического прогресса:

· человека-оператора нельзя исключить ни из одной системы, сколь бы автоматизированной она ни была, остается хотя бы один человек;

· системный подход к изучению трудовой деятельности привел к выделению пограничной среды контакта «человек-машина» или системы «человек-машина» (СЧМ) в качестве самостоя­тельного поля научной деятельности, к появлению науки эр­гономики, объектом которой стала система «человек-маши­на-среда»;

· бурное развитие ЭВМ и информатизация общества ставят со­вершенно новые задачи перед разработчиками систем, бази­рующихся на ЭВМ;

· одной из коренных проблем человеко-машинных, или эргатических, систем является повышение Их надежности;

· значительное расширение круга операторских профессий, в которых ту или иную роль играют комплексы на основе ЭВМ;

· общее углубление представлений о взаимодействии человека и машины в процессе трудовой деятельности; неопределенность информации, лежащей на стыке наук (или сфер);

· машины могут предъявлять к человеку «нечеловеческие» тре­бования. В результате стали раздаваться голоса, что «челове­ческий фактор» становится тормозом процесса. Однако авто­маты, как, оказалось, могут не все, а человек кое в чем превосходит машины: он хорошо учитывает случайный характер явлений, может предсказать их развитие и др.;

· вопросам создания вычислительной техники (вообще - ма­шин) уделяется много внимания проектировщиками, вопро­сами же организации контакта «человек-машина» занимают­ся гораздо меньше;

· возрастание цены ошибки оператора при очевидной невоз­можности все автоматизировать как по требованиям обеспе­чения надежности, так и из-за необходимости обеспечить ра­зумную стоимость.

Эти и другие аналогичные соображения привели (около 30 лет назад) к появлению цикла научных дисциплин, предметом которых являются те или иные аспекты взаимодействия человека и машины, как в общей постановке, так и применительно к при­ложениям в конкретных областях. К числу этих дисциплин отно­сятся инженерная психология, теория эргатических систем, эрго­номика, техническая эстетика, системы отображения информа­ции и др.

В настоящей книге основное внимание уделено вопросам, ка­сающимся контакта «человек-ЭВМ». Здесь можно выделить сле­дующие проблемы:

· эргономическое проектирование систем, т.е. проектирование систем на основе ЭВМ с учетом «человеческого фактора»;

· инженерно-психологические исследования работы на ЭВМ как специфической трудовой деятельности;

· определение рационального разделения функций между че­ловеком-оператором и программно-технической средой СЧМ.

Эргономическое проектирование. По существу этой проблемы необходимо согласовать с «человеческим фактором» все вопро­сы ввода-вывода (темп, формы представления и т. д.) и отобра­жения информации; клавиатуры и другие органы управления; средства коммуникации; конструктивное исполнение устройств. В этих системах важную роль играют вопросы технической эсте­тики, целесообразного формирования предметно-пространствен­ной среды (формы и контуры устройств, компоновка основных блоков, специальная мебель для оснащения рабочего места опе­ратора, формирование окружающего его пространства). Специфические системы должны создаваться для операторов, работа­ющих в экстремальных условиях. Широко разрабатываются в СЧМ специальные системы отображения информации - индика­торные и информационные панели, экраны, проекторы, пульты и т.д. с использованием различных технических средств.

Для пользователей универсальных ЭВМ круг этих вопросов су­жается, естественно, до вопросов формирования пользовательско­го интерфейса, экранных форм и т.д. Однако и эти вопросы являют­ся важными, если оператору в этой среде приходится работать дли­тельное время и принимать важные решения. В задачах использова­ния таких мощных средств, какими являются ЭВМ, необходимо тщательно учитывать все нюансы, в том числе и то, что в системе «человек-ЭВМ» функционирует человек как элемент.

Инженерно-психологический аспект. В инженерной психоло­гии речь идет, прежде всего, об исследовании свойств человека-оператора в той или иной среде трудовой деятельности. В этот аспект входит или тесно к нему примыкает исследование даже физиологических процессов, обусловленных именно контактом человека с машиной в СЧМ (утомляемость, производительность и т.д.), для чего широко исследуется зрительный анализатор в са­мых различных аспектах: биомеханическом, нейрофизиологиче­ском, кибернетическом и т.д.

Заметно расширились биомеханические и физиологические ис­следования нервно-мышечного аппарата в различных условиях как интеллектуальной, так и физической операторской деятельности. В этом круге вопросов решаются проблемы совершенствования раз­мещения органов управления и систем отображения информации, оцениваются затраты нервно-мышечной энергии, напряженность рабочих поз и утомляемость оператора, сопоставляются различные компоновки оборудования рабочего места и т.д.

Исследование человека-оператора как элемента СЧМ, в кон­це концов, позволяет определить его различные характеристики: статические, динамические, информационные, логические, энер­гетические и т.д. На основе полученных при этом данных в ряде случаев составляется математическая модель оператора. Вари­анты моделей могут быть самыми разными. Так, иногда опера­тор отображается передаточной функцией W0(s), т.е. эквивалентной линейной динамической системой, отражающей его специ­фические свойства: способности к прогнозированию, инерцион­ность, запаздывание в обработке информации; например, пере­даточной функцией вида

Эта модель используется при работе оператора в динамичес­ких системах управления процессами. В ряде ситуаций оператор описывается логической моделью, тем или иным автоматом, ал­горитмом и т.п. Такие подходы приняты при описании операто­ра, участвующего в процессах ОИ и принятия решения.

Математическая модель оператора включается в модель СЧМ при исследовании системы в целом с учетом «человеческого» фактора. Такие «модельные» исследования позволяют значитель­но сократить натурную отработку систем, включающих опера­тора, и найти основные проектные решения по параметрам ЭВМ и оператора, т.е. предъявить требования к его состоянию здоро­вья, физиологическим параметрам, квалификации, характеру образования и подготовке.

Разделение функций в системе «человек-машина». Проблема разделения функций в системе «человек-ЭВМ» между операто­ром («человеком») и ЭВМ («машиной») должна специально изу­чаться и конкретно разрешаться. При расширении в СЧМ круга функций ее программно-аппаратного комплекса потребуются изучение и моделирование всех процессов, происходящих в сис­теме. Алгоритмизация и программирование моделей потребуют дополнительных затрат на проектирование системы. Для реали­зации потребуется более мощная ЭВМ. Таким образом, произой­дет удорожание СЧМ в целом, что нежелательно.

При расширении круга функций оператора возрастают тре­бования к его квалификации, обученности, состоянию в процес­се деятельности. В ряде случаев могут происходить сбои (срывы) в деятельности оператора по той или иной причине, в частности в экстремальных ситуациях: увеличение темпов представления информации оператору или ее объема выше допустимого преде­ла приведет, в конце концов, к ошибочным реакциям (действи­ям, решениям), т.е. к ошибкам оператора. В результате в СЧМ может иметь место авария или даже катастрофа.

Таким образом, задача разделения функций между операто­ром и ЭВМ, как правило, - задача оптимизационная, решение которой отыскивается как компромисс. В качестве критерия оп­тимальности может рассматриваться, в частности, надежность выполнения системой ее функций в форме наиболее подходящей к случаю характеристики. Как у оператора, так и у ПАК с расши­рением круга функций снижается надежность.

При рассмотрении в целом СЧМ как системы с обратными связями необходимо учитывать, что совместно человек-оператор и ЭВМ реализуют в системе некоторый заданный набор функ­ций, которые в процессе работы или при проектировании могут перераспределяться. При расчете надежности будет справедлива последовательная схема, в которой с ростом числа функций и снижением надежности одного элемента уменьшается число функций другого элемента и повышается его надежность, поэто­му можно представить некоторое оптимальное по надежности распределение функций.

Аналогичные задачи приходится решать, например, при об­служивании ИС, пусконаладочных работах, тестировании или регламентных работах: можно тестировать ЭВМ как автомати­чески, так и «вручную», т.е. с пульта. Однако это давно не прак­тикуется. Создаются специальные тестирующие программы. Их включают в состав АРМа оператора в среде ЭВМ, с помощью которого и осуществляется тестирование на заданную глубину. Более того, все больше функций контроля состояния ЭВМ авто­матически реализуется аппаратно, т.е. с использованием специ­альных встроенных избыточных элементов, реализующих авто­матический контроль.

Определение уровня избыточности в технических средствах, разделение функций между программной и аппаратной средой и, наконец, разделение функций между оператором, и ПАК - эти вопросы решаются при проектировании и при организации экс­плуатации системы.

Надёжность систем «человек-машина»

В работе информационных систем возможны сбои, отказы, другие ситуации, приводящие к невыполнению системой ее фун­кций. Менеджеру в таких условиях следует опираться на адек­ватные модели, или описания, происходящего.

Для упрощения описания ситуаций и повышения нагляднос­ти получаемых результатов обычно принимаются следующие допущения:

1) появление отказа технологической части системы, и возник­новение ошибки оператора являются взаимно независимыми ред­кими случайными событиями, т.е. появление двух и более одно­именных событий за период времени (t, t + del t) работы системы практически невозможно;

2) способность оператора работать без ошибок и возможность компенсации им возникших за период времени (t, t + del t) ошибок являются взаимно независимыми его свойствами.

Ниже приводятся типовые ситуации анализа надежности сис­тем. В качестве характеристики надежности при этом использу­ется вероятность безотказной работы. Как известно, на ее основе с помощью известных преобразований могут быть получены и все другие стандартные характеристики.

Первый вариант - системы с некомпенсируемыми ошиб­ками оператора и неустранимыми отказами технологической части. Надежность таких систем, естественно, является минималь­ной. Она может повышаться как за счет роста потенциальной на­дежности технологической части системы, так и за счет повыше­ния надежности работы оператора как компонента системы (эти мероприятия здесь не рассматриваются).

Человеко-машинная система исправна в какой-то момент или на интервале времени, если оператор не допустил ошибки и при этом исправна технологическая часть системы. Тогда ве­роятность р1(t1, del t) безотказной работы человеко-машинной системы на интервале времени del t от момента t1 до момента t2 = t1 + del t с учетом принятых допущений определяется выра­жением

Здесь оба сомножителя - невозрастающие функции. Однако первый сомножитель pt (t1, del t) уже в начальный момент t1 может быть меньше единицы, поскольку он отражает ресурс надежнос­ти системы, оставшийся у нее к этому моменту вследствие изно­са. Сомножитель p0(del t) тоже убывает со временем, но его началь­ное значение равно единице, поскольку обычно оператор при­ступает к работе, находясь в функционально работоспособном состоянии. Убывание функции p0(del t) отражает снижение рабо­тоспособности оператора со временем, обусловленное его утом­лением, воздействием посторонних факторов, увеличением в про­цессе работы объема информации, подлежащей обработке для принятия решения, и тому подобными причинами.

Второй вариант - системы с возможностью частичной компенсации ошибок оператора: оператор, допустивший ошиб­ку в работе и вовремя заметивший ее появление, тут же ее ис­правляет. Во многих случаях создатели системы такую возмож­ность обеспечивают, по крайней мере, для некоторых ошибок и для типовых условий их возникновения. В этих условиях можно принять, что такие ошибки оператора устраняются им мгновенно.

Если возникающие отказы технологической части системы при этом не устраняются, то система в целом исправна тогда, когда не возникло отказа в технологической части и оператор или не совершил ошибочных действий, или допустил ошибку (ошибки), но тут же заметил ее (их) и мгновенно устранил. Тогда для определения вероятности безотказной работы всей системы справедлива следующая формула:

Из сопоставления формул (6.5) и (6.6) видно, что p2(t1, del t) > p1(t1, del t), хотя возможноp2(t1, del t) à p1(t1, del t), когда p à 0. Это бывает при снижении возможностей оператора устранить допу­щенную им ошибку по всем составляющим этого процесса: вы­явление, идентификация, устранение, каждая из которых харак­теризует определенные грани квалификации оператора. Как вид­но, обеспечивая для оператора квалификационную, структурную и технологическую возможность так называемого быстрого от­ката, позволяющего ему просто и быстро отказаться от замечен­ных ошибочных действий, создатели ИС могут ощутимо повы­сить ее надежность.

Третий вариант - системы с возможностью компенса­ции отказов технологической части системы при невозможности устранения ошибок оператора: в сложных, т.е. многоэлементных и имеющих разнообразные и множественные внутренние и вне­шние связи, системах обычно предусматриваются специальные возможности для автоматического устранения, по крайней мере, некоторых из возможных отказов. Так в системах обеспечивает­ся свойство отказобезопасности, когда какое-то определенное число отказов не приводит к нарушению работоспособности си­стемы как таковой. Контроль запаса надежности позволяет под­креплять надежность таких систем во время их исправной рабо­ты даже дистанционно, не ожидая глобального их отказа.

Это характерно, например, для современных ЭВМ и их базо­вых программных средств, в частности операционных систем, причем, чем мощнее комплекс, тем более развиты в нем средства обеспечения отказобезопасности (см., например, краткое описа­ние свойств операционной системы MVS/390 мейнфреймов серии ES/9000 фирмы IBM).

В условиях рассматриваемой задачи общей оценки надежно­сти человеко-машинных систем все эти средства формируют ве­личину pT(t1, del t).

Кроме указанных возможностей, заложенных в технологичес­кой части системы, определенные возможности и функции опе­ратора могут использоваться не только при управлении систе­мой, но также и в сфере устранения ошибок или отказов техноло­гической части системы. По-видимому, в ряде ситуаций, заметив отклонения в работе каких-либо технологических комплексов, человек-оператор может определить причины возникновения этих отклонений и подать, управляющие воздействия в целях компен­сации нештатных явлений или просто устранить возникший от­каз. Так, обнаружив, что какая-то часть технологического комп­лекса системы начинает проявлять тенденцию к выходу из нор­мального режима работы, оператор может вывести ее из состава системы, ввести замену из резерва и таким образом сохранить работоспособность системы в целом. Однако очевидно, что опе­ратор может компенсировать только некоторые неисправности и при условии, что он их заметил, идентифицировал и в состоя­нии компенсировать.

С позиций оператора отказ проявляется в системе в виде вы­хода на недопустимое значение некоторого контролируемого параметра, который может быть векторным, комплексным или составным; изменение его во времени будет случайным процес­сом η(r), свойства которого и определяют алгоритмы компенса­ции оператором последствий отказа. Вмешательство оператора в целях компенсации проявления отказа можно представить тоже в виде некоторого случайного процесса ηK(r). Если для обработ­ки ситуации н выявления отказа оператору требуется время rK, то изменение параметра после вмешательства оператора будет описываться случайным процессом

del η(r) =ηt(r) – ηT(r – rk).

Для каждой системы ее исправное состояние соответствует пребыванию отклонения определяющего параметра del η(r) в за­данной области D, т.е.

del η(r) Є D. (6-7)

Поскольку значение rк в каждой ситуации зависит от вариан­та комбинации состояний элементов и свойств оператора в час­ти определения отказа, оно является случайным и может быть, в частности, недопустимо большим при эксплуатации системы. В связи с этим оператор в состоянии компенсировать только неко­торые отказы в приемлемое время.

Описать приращение вероятности безотказной работы техно­логической части системы можно в виде условной вероятности py(t1, del t, δ) безотказной работы этой части системы в течение ин­тервала (t1, t1 + del t), определяемой при условии, что в некоторый момент δ, где t1 < δ < t1 + del t, в ней произошел отказ, который обнаружен, идентифицирован и компенсирован оператором.

Тогда для расчета вероятности безотказной работы системы в таких условиях p3(t1, del t) можно использовать следующую фор­мулу:

p3(t1, del t) = p0(del t){pт(t1, del t) + py(t1, del t, δ)} (6.8)

где сохранены и все ранее введенные обозначения.

Как видно из сопоставления выражений (6.5) и (6. 8), обычно p3(t1, del t) > p1(t1, del t), хотя возможно p3(t1, del t) àp1(t1, del t), когда py(t1, del t, δ) à0, что бывает при снижении возможностей опера­тора по всем их составляющим (выявление, идентификация, уст­ранение) при компенсации отказов технологической части ИС.

Четвертый вариант - система с коррекцией ошибок оператора и компенсацией отказов технологической части. Для определения вероятности ее безотказной работы в таких услови­ях p4(t1, del t) на интервале (t1, t1+del t) в выражении (6.8), которое может рассматриваться как базовое, в качестве сомножителей р0(del t) и рт(t1, del t) следует использовать расширенные выражения для них из формул (6.6) и (6.8) соответственно. Тогда можно за­писать следующее выражение:

p4(t1, del t) = {р0(del t) + (1 - р0(del t)p}(pт(t1, del t) + py(t1, del t, δ)) (6.9)

где сохранены все обозначения. С учетом соотношений (6.5), (6.6) и (6.8) выражение (6.9) можно представить в виде следующего равенства:

Здесь можно отметить, что в приведенных выражениях члены p0(del t) и pT(t1, del t) отражают характеристики надежности основных элементов системы и являются базовыми: на них строятся оцен­ки достигнутого уровня надежности и соответственно - качества системы. Поэтому именно они характеризуют основной порядок значений вероятности и должны быть как можно ближе к едини­це. Величины р и py(t1, del t, δ) характеризуют факторы, которые позволяют повысить надежность за счет использования специ­фических свойств оператора как элемента системы в части его активного воздействия на технологические элементы комплекса человеко-машинной системы. Представленные и аналогичные модели могут обеспечить повышение качества управления в те­кущих условиях и сформировать стратегические концепции для ИС по ее основным показателям.

Дата добавления: 2014-01-06