Показатели качества систем "человек-машина"
Любая СЧМ призвана удовлетворять те или иные потребности человека и общества. Для этого она должна обладать определенными свойствами, которые закладываются при проектировании СЧМ и реализуются в процессе эксплуатации.
Под свойством СЧМ понимается ее объективная способность (особенность), проявляющаяся в процессе эксплуатации. Количественная характеристика того или иного свойства системы, рассматриваемого применительно к определенным условиям ее создания или эксплуатации, носит название показателя качества СЧМ.
В нашей стране разработана определенная номенклатура показателей качества промышленной продукции. Она включает в себя 8 групп показателей, с помощью которых можно количественно оценивать различные свойства продукции.
К ним относятся: показатели назначения, надежности и долговечности, технологичности, стандартизации и унификации, а также эргономический, эстетический, патентно-правовой, экологический и экономический показатели.
Не рассматривая подробно все показатели (это не является задачей инженерной психологии), остановимся лишь на тех из них, которые влияют на деятельность человека в СЧМ или зависят от результатов его деятельности.
Быстродействие (время цикла регулирования) определяется временем прохождения информации по замкнутому контуру человек-машина:
Tц =
| k |
| ∑ |
| i = 1 |
Надежность характеризует безошибочность (правильность) решения стоящих перед СЧМ задач. Оценивается она вероятностью правильного решения задачи, которая, по статистическим данным, определяется отношением
Pпр = 1 -
| mош |
| N |
Важной характеристикой деятельности оператора является также точность его работы. На этой характеристике следует остановиться особо, ибо в ряде случаев происходит некоторое смешение ее с надежностью [8].
В качестве исходного понятия для определения обеих характеристик используется понятие ошибка оператора, для расчета обеих характеристик предлагаются одинаковые формулы и т.д. Фактически же
надежность и точность представляют собой различные показатели, характеризующие разные стороны деятельности оператора. Правильное толкование обоих этих показателей дается в работе [122].
Под точностью работы оператора следует понимать степень отклонения некоторого параметра, измеряемого, устанавливаемого или регулируемого оператором, от своего истинного, заданного или номинального значения. Количественно точность работы оператора оценивается величиной погрешности, с которой оператор измеряет, устанавливает или регулирует данный параметр:
γ = Iн - Iоп,
где Iн - истинное или номинальное значение параметра; Iоп - фактически измеряемое или регулируемое оператором значение этого параметра.
Величина погрешности может иметь как положительный, так и отрицательный знак. Понятия ошибки и погрешности не тождественны между собой: не всякая погрешность является ошибкой. До тех пор пока величина погрешности не выходит за допустимые пределы, она не является ошибкой, и только в противном случае ее следует считать ошибкой и учитывать также при оценке надежности.
Понятие погрешности наиболее важно для тех случаев, когда измеряемый или регулируемый оператором параметр представляет непрерывную величину. Так, например, можно говорить о точности определения координат самолета оператором радиолокационной станции и т.д.
В работе оператора следует различать случайную и систематическую погрешности. Случайная погрешность оператора оценивается величиной среднеквадратической погрешности, систематическая погрешность - величиной математического ожидания отдельных погрешностей.
Методы их определения приведены в работах [93, 122, 168].
Своевременность решения задачи СЧМ оценивается вероятностью того, что стоящая перед СЧМ задача будет решена за время, не превышающее допустимое:
Pсв = P{Tц ≤ Tдоп} =
| Tдоп |
| ∫ |
| 0 |
Эта же вероятность по статистическим данным оценивается по выражению
Pсв = 1 -
| mнс |
| N |
При определении величин mош и mнс, а следовательно, и при оценке вероятностей Рпр и Рсв не имеет значения, за счет каких причин (некачественной работы машины или некачественной деятельности оператора) неправильно или несвоевременно решена задача системой человек - машина.
Поскольку большинство СЧМ работают в рамках определенных временных ограничений, то несвоевременное решение задачи приводит к недостижению цели, стоящей перед системой человек-машина. Поэтому в этих случаях в качестве общего показателя надежности используется вероятность правильного (Рпр) и (Рсв) своевременного решения задачи
РСЧМ = РпрРcв,(3.5) Такой показатель используется, например, при применений обобщенного структурного метода оценки надежности СЧМ [35].
Безопасность труда Человека в СЧМ оценивается вероятностью безопасной работы
Pбт = 1 -
| n |
| ∑ |
| i = 1 |
Опасные и вредные ситуации могут создаваться как техническими причинами (неисправность машины, аварийная ситуация, неисправность защитных сооружений), так и нарушениями правил и мер безопасности со стороны людей. При этом, как отмечалось
выше, в условиях автоматизированного производства, когда контакт человека с рабочими частями машин и оборудования сравнительно невелик, большая роль в возникновении опасных и вредных для человека ситуаций принадлежит психофизиологическим факторам. Их влияние также нужно учитывать при определении показателя Рбт.
Степень автоматизации СЧМ характеризует относительное количество информации, перерабатываемой автоматическими устройствами. Эта величина определяется по формуле
Ka = 1 -
| Ноп |
| НСЧМ |
Для каждой СЧМ существует некоторая оптимальная степень автоматизации (kопт), при которой эффективность СЧМ становится максимальной (рис. 3.2). При этом чем сложнее СЧМ, тем больше потери эффективности из-за неправильного выбора степени автоматизации.
Это видно из сравнения кривых 1 и 2 на рис. 3.2.
Оптимальная степень автоматизации устанавливается в процессе решения задачи распределения функций между человеком и машиной.
Экономический показатель характеризует полные затраты на систему человек- машина. В общем случае эти затраты складываются из трех составляющих: затрат на создание (изготовление) системы Си, затрат на подготовку операторов Соп и эксплуатационных расходов Сэ.
По отношению к процессу эксплуатации затраты Си и Соп являются, как правило, капитальными. Тогда полные приведенные затраты в СЧМ определяются выражением
WCЧM = Cэ + Eн (Cоп + Cн),(3.8) где Ен - нормативный коэффициент экономической эффективности капитальных затрат.
При заданной величине WCЧM путем перераспределения затрат между отдельными составляющими Си, Соп и Сэ, можно получить различные значения общей эффективности СЧМ. И, наоборот, заданная эффективность СЧМ может быть обеспечена с помощью различных затрат в зависимости от распределения их между отдельными составляющими.
Методы технико-экономической оптимизации СЧМ (получение заданной эффективности при минимуме WCЧM или получение максимума эффективности при заданной величине WCЧM) путем перераспределения затрат Си, Соп и Сэ, рассмотрены в работе [85].
Большое значение при анализе и оценке СЧМ имеют эргономические показатели. Они учитывают совокупность специфических свойств системы человек - машина, обеспечивающих возможность осуществления в ней деятельности человека (группы людей). Эргономические показатели представляют собой иерархическую структуру, включающую в себя целостную эргономическую характеристику (эргономичность СЧМ), комплексные (управляемость, обслуживаемость, освояемость и обитаемость СЧМ), групповые (социально-психологические, психологические, физиологические, антропометрические, гигиенические) и единичные показатели.
Общие методические рекомендации по их определению приведены в работе [215].
С помощью рассмотренных показателей можно оценить одно или несколько однотипных свойств СЧМ. Иногда их может оказаться недостаточно для решения
инженерно-психологических задач (например, при выборе одного из нескольких конкурирующих вариантов СЧМ). В этом случае нужно дать интегральную оценку качества системы человек - машина как совокупности всех ее основных свойств.
Для этого используется понятие эффективности СЧМ, под которой понимается степень приспособленности системы к выполнению возложенных на нее функций. При определении эффективности СЧМ необходимо учесть следующие правила:
- - для получения полной интегральной оценки следует учитывать всю совокупность частных показателей качества СЧМ;
- - частные показатели должны входить в общую оценку с некоторым весом, характеризующим их важность в данной системе;
- - поскольку частные показатели имеют различный физический смысл и измеряются в разных величинах, они должны быть приведены к безразмерному и нормированному относительно некоторого эталона виду.
При этом следует отметить, что все частные показатели с точки зрения их влияния на эффективность могут быть повышающими (надежность, безопасность, своевременность и т.п.) или понижающими (затраты, время решения задачи и др.). Поэтому нормирование производится следующим образом:
для повышающих показателей
Эi =
| Ei |
| Emaxi |
Эi =
| Emini |
| Ei |
Эффективность системы представляется как некоторая совокупность частных показателей. Чаще всего применяется аддитивная функция
ЭСЧМ =
| n |
| ∑ |
| i = 1 |
При выполнении рассмотренных условий величина ЭСЧМ принимает значения в пределах от нуля до единицы и представляет собой своеобразный коэффициент полезного действия системы человек - машина.
Основные концепции анализа и проектирования систем человек-машина
В настоящее время в инженерной психологии, а также в смежных с нею научных дисциплинах и направлениях (эргономика, психология труда и управления, теория эргатических систем, теория надежности и эффективности СЧМ и др.) разработан целый ряд концепций анализа, описания и проектирования систем человек-машина. Эти концепции различаются используемым математическим аппаратом, составом необходимых исходных данных, различными взглядами на роль и место человека в СЧМ. Такое положение является достаточно точным отражением современного уровня развития инженерной психологии, поскольку в зависимости от конкретных условий специалист по инженерной психологии (конструктор, организатор производства, специалист по эксплуатации) может выбрать и использовать ту или иную из существующих концепций. Поэтому представляется целесообразным рассмотреть наиболее конструктивные из возможных концепций (теорий, подходов).
Все они условно делятся на две большие группы: психологические и кибернетические (рис. 3.3).
Наиболее общей из них является концепция, основанная на использовании деятельности о го подхода [55, 56]. С ее позиций категория деятельности выступает как начало, содержание и завершение процессов анализа, организации, проектирования и оценки СЧМ. При
этом категория деятельности выступает в качестве предмета:
- объективного научного изучения;
- управления, т.е. того, что подлежит организации в сложную систему функционирования и оценки;
- проектирования, основной задачей которого является выявление способов и условий оптимальной реализации определенных видов деятельности;
- многоплановой оценки, осуществляемой в соответствии с различными критериями (надежность, быстродействие, удовлетворенность трудом, комфортность и т.п.).
В рамках этой концепции разработан микроструктурный подход (от греч. mikros - малый и лат. structura - строение) к анализу деятельности. Сущность микроструктурного подхода состоит в выделении компонентов (единиц анализа), сохраняющих свойства целого, и установлении между ними типов взаимоотношения или координации.
Набор (алфавит) компонентов должен быть достаточно широк для того, чтобы охватить процесс в целом; каждый из компонентов должен обладать не только качественной, но и количественной определенностью.
Микроструктурный подход оперирует понятиями операции, функционального блока, фазы процесса, кванта восприятия или действия. Каждый из компонентов отличается по ряду параметров: место в структуре деятельности, информационная емкость, время выполнения, тип преобразования информации, возможные связи с другими компонентами и средой.
Наиболее распространенный прием микроструктурного подхода состоит в том, что время выполнения работы делится на ряд интервалов и предполагается, что в каждом из них выполняются те или иные преобразования входной информации, осуществляемые определенными функциональными блоками. Микроструктурный подход является возможным прототипом проектирования отдельных функций операторской деятельности [55, 215].
Одной из первых психологических концепций была предложенная в 1967 году Б.Ф. Ломовым концепция проектирования деятельности [цит. по 92].
Суть ее состоит в том, что проект деятельности оператора (и вообще любого работника) должен выступать как основа решения всех остальных задач проектирования СЧМ. Эта концепция базируется на рассмотренных в первой главе методологических принципах (гуманизации труда, активного оператора, комплексности и др.).
Целый ряд задач анализа, описания и проектирования СЧМ может быть решен на основе использования
структурно-психологической концепции [17, 143]. Основной смысл ее состоит в соотнесении структуры технических средств деятельности оператора и психологических факторов сложности (ПФС) выполнения им своих функций, в частности сложности решения оперативных задач.
С позиций данной концепции проектирование технических средств рассматривается как процесс анализа и материализации априорных стратегий решения задач с целью оптимизации ПФС. Их оптимальный уровень достигается путем многоуровневой взаимной адаптации людей и технических средств.
Оптимальными значениями ПФС считаются те, которые обеспечивают достижение цели (решение задачи) при минимальном значении внешнего критерия сложности (времени решения задачи, числа ошибок, показателей психофизической напряженности и др.).
Оптимизация ПФС достигается путем создания системы адаптивного информационного взаимодействия между оператором и ЭВМ, работающей по принципу гибридного интеллекта. Он достигается путем разумного сочетания естественного интеллекта человека и возможностей современных ЭВМ. При этом человек и ЭВМ рассматриваются как равноправные партнеры по информационному взаимодействию.
Оптимизации ПФС способствует также применение трансформационной теории обучения. Согласно ей процесс обучения не носит традиционно используемый характер; на кривой обучения имеются плато (пологие участки), соответствующие переходу на новый, более высокий уровень овладения деятельности.
Последнее одновременно способствует и достижению более оптимальных значений ПФС.
Анализ взаимодействия априорных и реальных стратегий поведения оператора и соответствующих им уровней ПФС позволяет расширить рамки инженерно-психологического проектирования - не только распространить его на предварительный выбор характеристик системы, но и сделать проектирование непрерывным, последовательно решающим задачу оптимизации СЧМ и после реализации предварительного проекта, т.е. в ходе эксплуатации системы [17].
При разработке автоматизированных систем организационного типа (АСУП, ОАСУ и т.п.) весьма плодотворным
оказывается использование концепции психологического обеспечения (ПО) АСУ [141]. Под ним понимается планирование, разработка, организация и реализация комплекса мероприятий по учету психологических факторов на всех этапах создания, внедрения и эксплуатации АСУ.
Согласно этой концепции, любая АСУ рассматривается как сложная социотехническая система, которая не может эффективно функционировать, если она создается и эксплуатируется без учета психологического фактора. Его учет должен осуществляться на всех этапах проектирования, внедрения и эксплуатации АСУ.
Создание АСУ должно начинаться с проектирования оптимальной (рациональной) человеческой деятельности. Важнейшим фактором, обеспечивающим эффективность функционирования разрабатываемой системы, является подготовка персонала АСУ. Она базируется на анализе, проектировании и синтезе (формировании) деятельности. Анализ деятельности осуществляется на этапе предпроектного обследования, а его результатом являются рекомендации на проектирование или совершенствование деятельности персонала АСУ.
Проектирование деятельности осуществляется на этапах технического и рабочего проектирования, а его результатом являются должностные инструкции. Они должны разрабатываться с учетом обеспечения быстрейшей адаптации работника к эффективной деятельности в условиях АСУ. Синтез деятельности включает в себя профессиональный отбор, обучение, выработку индивидуальных и коллективных умений и навыков, а также обеспечение психологической совместимости всего персонала АСУ. Синтез деятельности должен начинаться на этапе технического проектирования и завершаться на этапе внедрения во взаимодействии с проектированием технической части АСУ.
Его конечной целью является обеспечение фактической эффективной деятельности всего персонала АСУ.
При создании автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУТП), деятельность оператора в которых носит сложный мыслительный характер, может быть использована концепция идеализированных структур деятельности [26]. Эта концепция базируется на данных о формализуемых человеком способах организации процесса
контроля и управления объектом на разных уровнях обучения и в разных конкретных условиях. На основе концепции разработаны методы инженерно-психологического анализа и проектирования деятельности оператора АСУТП, базирующиеся на исходных данных о психологической структуре деятельности оператора (включающей сложные виды мыслительных задач), позволяющие свести к минимуму число операций (шагов) решения задач проектирования, ложность исходных данных на разных стадиях создания СЧМ.
Для анализа, описания и проектирования следящих систем может быть использована концепция инженерно-психологического проектирования полуавтоматических систем управления, использующих принцип слежения [173, 201]. Практическая реализация концепции связана с решением ряда проблем:
- создание единого подхода к описанию функционирования технической части системы и деятельности оператора;
- учет индивидуальных психофизиологических характеристик деятельности, различия между которыми носят, как правило, случайный характер;
- учет динамики характеристик деятельности в процессе обучения;
- отбор операторов, обладающих качествами, необходимыми для работы на конкретном объекте управления; из этого следует, что вопросы обучения и профессионального отбора выступают как этапы системного подхода к проектированию деятельности.
Реализация концепции потребовала уточнения понятия передаточная функция оператора. Оказалось, что спектр ответных действий оператора содержит кроме требуемого сигнала и спектр дополнительных (малых) движений, необходимых оператору для познания и контроля процесса управления и названных дельта-ремнантой. Малые движения являются одним из показателей психологических особенностей работы оператора в режиме слежения.
Отсутствие формализованного описания свойств этих движений в большинстве математических моделей деятельности и обуславливает их неадекватность. Включение же их в математические модели позволяет учитывать психологические особенности деятельности человека в следящих системах. 103
В результате учета малых движений стало возможным аналитически оценивать долю погрешности, вносимую в ошибку выходного сигнала системы, как от функционирования человека-оператора, так и от разброса параметров любого из элементов технической части системы. Это дает возможность производить синтез системы по заданным требованиям.
При этом учитываются и экономические показатели, что позволяет создавать наиболее экономичные системы человек-машина.
Рассмотренные концепции отличает ярко выраженный их, если так можно выразиться, психологический характер. Они базируются на знании и учете психологических характеристик и свойств человека, а основу этих концепций составляет прежде всего проектирование деятельности оператора в системе человек-машина.
Помимо них существует еще ряд концепций, в основе которых лежит кибернетический подход к анализу и проектированию СЧМ.
Одна из таких концепций носит название организмической. Она разработана в рамках теории эргатических систем [53, 131].
В соответствии с организмической концепцией основой оптимальной кооперации человека и машины должны служить принципы организации живого, т.е. организма как феномена целесообразного живого в природе. Концепция основывается на двух основных положениях: 1) организм представляет собой соответствующим образом организованную совокупность функциональных систем (понятие о них дается в главе IV); 2) основные закономерности организации и функционирования каждой системы и всего организма и СЧМ в целом - одни и те же.
Основное смысловое содержание организмического постулата формулируется следующим образом: создание оптимальных СЧМ в функциональном смысле эквивалентно оптимальной достройке организма оператора машинами как орудиями труда.
В рамках концепции предлагается определенная система принципов поведения биосистем. К их числу относятся принципы: активности, гомеостаза, автономности, иерархичности, доминанты, целостности, эволюции.
Подробно они описаны в [53].
Сущность организмической концепции сводится к синтезу эргамата - системы, состоящей из человека и
машины и выполняющей определенную работу действиями человека внутри системы. Поведение эргамата описывается системой дифференциальных уравнений.
Задача синтеза эргамата заключается в определении числа и состава входящих в систему элементов (включая и человека) и их функциональных обязанностей.
Для решения задачи определяются обобщенные рабочие характеристики (ОРХ) оператора. Окончательный вариант структуры эргамата выбирают оптимизацией общецелевой системной функции при выполнении ограничений, накладываемых на соответствующие временные, точностные и надежностные ОРХ.
Концепция нашла применение для расчета и оптимизации непрерывных систем ручного управления, в частности транспортных систем.
К кибернетическому направлению можно отнести и концепцию обеспечения качества функционирования (ОКФ) эргатических систем [102, 214]. Задача обеспечения требуемого уровня качества заключается в оценке (с помощью процедуры контроля) и устранении (путем проведения профилактического обслуживания) причин и условий, которые его снижают (не обеспечивают).
При этом возникает задача по определению, когда и какие мероприятия следует проводить, чтобы получать максимально возможный эффект от применения СЧМ по своему назначению в течение заданного времени ее функционирования.
Последовательность мероприятий по ОКФ эргатических систем следующая. В начальный момент качество функционирования системы соответствует требуемому уровню, т.е. технические звенья и операторы находятся в работоспособном состоянии и готовы к выполнению задания. Через некоторое время необходимо провести контроль параметров функционирования системы (как техники, так и операторов).
Если к этому времени система функционирует безотказно, то следует проводить плановый контроль. Если же возникли отказы, то следует осуществлять профилактические воздействия, которые должны полностью восстановить требуемый уровень качества.
