Система переработки информации человеком
Здесь может учитываться и ложная информация, повышающая неопределенность задачи (М.М. Бонград).
Рассмотренные методы определяют ценность информации для человека исходя из ее значения для него. Осознание ценности информации человеком будет вызывать у него соответствующие эмоции.
Поэтому приведенные показатели могут служить также косвенными мерами уровня эмоциональной реакции человека на информацию.
Как уже отмечалось, наличие ложной информации снижает ее общую ценность. Поэтому важной характеристикой информации является ее достоверность.
Под достоверностью информации понимается безошибочная (не искаженная) передача, переработка и хранение информации в системе при заданных условиях ее эксплуатации [214]. Качественно достоверность
информации определяется как ее свойство на выходе системы соответствовать информации, поступившей на ее вход. Количественно достоверность информации оценивается такими показателями, как наработка на информационную ошибку, интенсивность информационных ошибок, вероятность безошибочности информации.
При расчетах этих показателях принимаются следующие допущения:
- информационные ошибки (искажения) в составных компонентах системы - события независимые, случайные;
- поток информационных ошибок является простейшим;
- появление информационный ошибки (искажения) в отдельной компоненте системы приводит к появлению ошибки на выходе системы;
- критерии появления (наличия) ошибок точно определены и их можно использовать для диагностики ошибок.
С учетом этих допущений в работе [214] предложены формулы для определения показателей достоверности информации. Наработка на информационную ошибку рассчитывается по формуле
](2.8) где N∑ - суммарная информационная наработка системы в единицах обрабатываемой информации, элементах (суммарная информационная нагрузка системы); Nош - число возникших ошибок в системе (искаженных элементов информации) в рассматриваемой суммарной информационной нагрузке.
В некоторых случаях рассматривают также временную наработку системы (с определенным быстродействием) на информационную ошибку
Tио =
,
где t∑ и n (t∑) - соответственно суммарное время наработки и возникшее за это время число информационных ошибок.
Под интенсивностью ошибок (искажений) понимается отношение числа ошибок nош(t), возникших за
некоторый интервал времени t, к произведению информационной нагрузки за этот же интервал на его длительность, то есть
λош (t) =
].(2.9) Вероятностью безошибочности (не искаженности) информации называется вероятность того, что в определенных условиях работы в пределах заданной информационной нагрузки (заданной продолжительности) ошибка (искажение) в информации не появится. Эта вероятность по статистическим данным находится по формуле
Pδ(t∑) =
| N∑(t∑) - nош(t∑) |
| N∑(t∑) |
Избыточность информации есть некоторая величина г , которой измеряется относительная доля излишне используемых сообщений в некотором алфавите. Она определяется формулой
r = 1 -
| H |
| n - log2 M |
Естественным языкам свойственна значительная избыточность информации (например, для русского языка г = 0,5...0,8). Избыточность информации может быть естественной (например, естественные языки, изображения и т.п.) и искусственной.
Последняя специально вводится для улучшения помехоустойчивости, достоверности и надежности передачи и хранения информации [166]. В общем случае избыточность информации оказывает двоякое влияние на характеристики
информационных систем, в том числе и на процессы переработки информации человеком.
С одной стороны, избыточность информации существенно повышает ее помехоустойчивость, дает возможность восстановить искаженную информацию. Например, искажение или потеря отдельных букв, слов, а иногда и фраз позволяет правильно распознать смысл письменного или устного сообщения; искажение одного, двух сегментов знакосинтезирующих цифровых индикаторов позволяет в ряде случаев восстановить истинное значение отображаемой цифры и т.д. Примером избыточности в информационных структурах мозга является парность некоторых анализаторов (зрительного, слухового), что повышает надежность их работы. Избыточную информацию не следует путать с иррелевантной, которая является помехой и мешает нормальной работе оператора.
Существует три основных способа введения избыточности: многократное повторение одной и той же информации; введение в сигналы дополнительных элементов; метод избыточных переменных.
С другой стороны, избыточность усложняет систему, увеличивает время обработки информации, снижает реальную пропускную способность каналов связи. Поэтому определение необходимой избыточности решается в каждом конкретном случае исходя из особенностей решаемой задачи и возможных ограничений.
В случае необходимости для уменьшения избыточности применяют методы, разработанные в теории оптимального кодирования, а также специальные методы сжатия информации.
Сжатием информации (сжатием данных) называется представление информации (данных) меньшим числом битов по сравнению с первоначальным. Различают сжатие информации без потери информации и с потерей некоторой ее части, несущественной для решаемых задач.
К первой группе относятся методы кодирования, использующие статистику потока сигналов для получения выигрыша в среднем, например, кодирование короткими комбинациями символов более часто встречающихся элементов сообщения (код Морзе). Ко второй группе относятся методы, основанные на различных аппроксимациях данных, например, кодирование
непрерывной кривой дискретными отсчетами, основанное на теории Шеннона - Котельникова.
По способу устранения избыточности все методы сжатия информации делятся на три группы: 1) структурные, предусматривающие дискретное строение массивов информации и предполагающее их простейшее кодирование; 2) статистические, определяемые понятием энтропии как меры неопределенности, учитывающий вероятности появления, а следовательно, и информативности тех или иных сообщений (см. выше); 3) семантические, учитывающие целесообразность, ценность, полезность или существенность информации.
При инженерно-психологическом проектировании для уменьшения времени и вероятности ошибочных действий оператора при вводе и считывании информации сжатие является основным методом создания компактных систем ввода и систем отображения информации, поскольку возможности их пространственного уплотнения ограничены психофизиологическими особенностями оператора. Для этого используется все рассмотренные методы исключения избыточности, обеспечивающие минимизацию числа кнопок, их размещение на панели управления с учетом структуры системы управления, числа команд и частоты обращения к кнопкам пульта.
Аналогичное делается для создания компактных систем отображения информации вызывного типа с учетом возможного числа сигналов, вероятности их поступления, а также важности и срочности их обработки.
Информация, циркулирующая в системе человек-машина может обладать такими нежелательными свойствами, как старение и рассеяние, что в случае их неучета приводит к снижению эффективности процесса управления.
Старение информации связано с конечным временем ее передачи и обработки. Наиболее часто задержки на пути информации от источника до получателя происходят в различного рода накопителях (запоминающих устройствах) и каналах связи.
Нередко задержку вводят искусственно с целью получить взамен меньшую вероятность ошибки. Примером является многократное повторение одной и той же информации
(временная избыточность). Однако чаще всего старение информации возникает естественным путем.
Если информация носит оперативный характер и используется для принятия решений или выработки управляющих воздействий, то за время задержки она стареет. В результате управление либо принятое решение могут оказаться не эффективным.
Для устранения этого оператор должен экстраполировать полученную информацию на некоторое время вперед, то есть осуществлять прогнозирование изменения информации во времени. От точности прогноза и будет зависеть эффективность управления.
К настоящему времени разработаны следующие алгоритмы прогноза: прогноз по последнему значению, прогноз по математическому ожиданию, статистический прогноз по одной точке. Каждый из них имеет свои преимущества и недостатки [46], само прогнозирование может осуществляться либо автоматически (тогда в систему обработки и передачи информации дополнительно вводится специальное устройство - экстраполятор), либо оператором. В этом случае он должен быть специально обучен навыкам экстраполяции. Особое значение при этом имеет способность оператора к антиципации (от лат. anticipatio - предвосхищаю), т.е. способности предвидеть будущие, предстоящие события.
Поскольку изменение ситуации за время прогноза зачастую представляет собой случайный процесс, то оператор должен уметь осуществлять вероятностное прогнозирование. Все это позволит ему более рационально (разумеется, в определенных пределах) использовать стареющую информацию.
Зная количественные оценки стареющей информации, можно вовремя очищать запоминающие устройства от устаревших данных, назначать сроки принятия решений так, чтобы они базировались на достоверных, не устаревших сведениях, назначать из тех же соображений допустимое время передачи информации и т.п. [46].
В практике экспериментирования и контроля хода технологических процессов обычной является ситуация, когда о значениях какого-либо параметра судят по результатам других величин, связанных с ним. Такой метод называется косвенными измерениями. При этом информация может оказаться рассеянной среди данных
о других величинах. Помимо этого часто возникает ситуация, когда оператору для решения текущей задачи приходится использовать информацию, поступающую от различных, отстоящих друг от друга источников.
Рассмотренные ситуации роднит то обстоятельство, что в них имеет место рассеяние информации.
Различают два основных вида рассеяния. Во-первых, рассеяние по ансамблю источников, когда нужная для решения задачи информация находится в разных местах информационного поля. Во-вторых, - это рассеяние по времени, когда информацию о каком-либо факте несут не только текущие события либо значения наблюдаемых процессов, но и отстоящие от них на некоторое время.
В этом случае для решения задачи одновременно нужно использовать сведения, относящиеся к различным моментам времени.
Следовательно, в общем случае нужная для решения задачи информация может оказаться рассеянной как среди других источников, так и относится к разным временным интервалам. Оказывается, что специальная обработка позволяет собрать такие данные, сконцентрировать их. Перспективными путями концентрации рассеянной информации являются, с одной стороны, запоминающие устройства действующие на ассоциативном принципе, а с другой - диалоговые системы общения человека с ЭВМ, обеспечивающие итеративное повышение уровня взаимопонимания [46].
Концентрации информации способствует также применение компактных устройств ввода и отображения информации, рациональная компоновка рабочего места оператора, упорядоченное размещение элементов и их логическая группировка, своевременная подсказка оператору о необходимых действиях и т.п.
Система переработки информации человеком
Важным элементом информационных процессов в СЧМ является система переработки информации (СПИ) человеком. Согласно современным представлениям, переработка каждой порции информации осуществляется в мозгу человека в несколько этапов. Их количество, последовательность, длительность, а так
же достигаемая в конечном счете полнота извлечения информации из сигнала определяется многими как объективными, так и субъективными личностными факторами. Осуществление каждого из этапов связывается с определенными гипотетическими блоками СПИ (рис.
2.1). Следует особо подчеркнуть, что показанные здесь блоки (структурные элементы СПИ) в большей своей части являются условными, им не обязательно соответствуют различные нервные структуры [128].
Согласно приведенной на рис. 2.1 модели сигналы внешней среды, например, средств отображения информации, поступают в рецепторы (от лат. receptor - принимающий), т.е. воспринимающие устройства человека.
Человек привносит в каждый элементарный акт информационного взаимодействия со средой свои цели, стратегии, ожидания, которые проявляются в целом комплексе преднастроечных изменений в организме, упреждающих будущие события. В основе таких изменений
лежат специфические информационные процессы, выделенные в модели в блок АЦП (антиципационные процессы). В зависимости от характера этих изменений часть внешних воздействий преобразуется в сенсорные (от лат sensus - чувство, ощущение) сигналы, которые подвергаются некоторому циклу преобразований, составляющих содержание сенсорно-перцептивных процессов (от лат. perseptio - восприятие).
Часть выделенных при этом информативных признаков включается в процессы активного синтеза, в котором участвует также активированная в соответствии со смыслом и ценностью для субъекта часть тезауруса (от греч. thesaurus - запас). У человека в роли тезауруса выступает запас знаний, зафиксированных в его долговременной памяти.
В зависимости от характера ситуации и стоящих перед человеком целей, сигнал может потребовать от него на разных этапах переработки принятия определенных решений. Эти решения могут носить различный характер. Например, это может быть решение о возможности отнесения данного сигнала к тому или иному классу, т.е. его идентификация.
Могут приниматься также решения о необходимости осуществления того или иного управляющего воздействия, коррекции целей, изменения стратегий или программ поведения и т.п. Последний случай предполагает также включение антиципационных процессов. Наконец, реализация управляющего воздействия в соответствии с принятым решением и постоянно корректируемыми программами сопровождается поступлением на сенсорный вход системы весьма важных с точки зрения организации адаптивного поведения сигналов обратной связи (пунктирные линии на рис.
2.1), информирующих оператора о ходе выполнения действия и о достигнутых при этом результатах. Таким образом формируется замкнутый контур циркуляции информации [128].
Процесс переработки информации человеком можно представить как некоторое множество, состоящее из частично перекрывающихся подмножеств. Поэтому показанные на рис. 2.1 функциональные блоки тесно взаимосвязаны.
Общность некоторых аспектов принятия решения и антиципации была показана ранее.
Соединяет в себе элементы этих блоков и такой важный процесс, как целеполагание. Процессы принятия решения и сенсорно-перцептивные процессы выступают в единстве на этапах обнаружения и опознания сигналов.
Интеграция сенсорно-перцептивных процессов и антиципация проявляется в таких феноменах, как ожидание, бдительность и т.д.
В целом роль и место информационных процессов в структуре деятельности и поведения определяются тем, что они, с одной стороны, опосредуют объективные внешние условия, а с другой стороны, опосредуют потребности, мотивы, установки, трансформируют их на основе имеющихся знаний и навыков в цели, стратегии и программы поведения, обеспечивают возможность постепенного контроля за ходом их реализации и при необходимости их коррекцию в интересах достижения полезного результата [128].
Как следует из рис. 2.1, СПИ включает в себя информационные процессы, а также вспомогательные подсистемы, обеспечивающие их нормальное протекание. К числу основных информационных процессов относятся процессы принятия решения, антиципационные и сенсорно-перцептивные процессы. Процессы принятия решения достаточно подробно были рассмотрены раньше, поэтому на них больше пока останавливаться не будем.
Антиципационные и сенсорно-перцептивные процессы рассмотрим более подробно.
Антиципация рассматривается как частный случай присущего всем живым организмам приспособительного механизма, названного П.К. Анохиным опережающим отражением действительности, как проявление действия этого механизма на уровне психики [6]. В структуру антиципации включают следующие процессы:
- синтез субъективных моделей будущего - вероятностное прогнозирование;
- сопоставление этих моделей по критерию предполагаемой вероятности реализации и выбор наиболее вероятной модели в качестве фактора регуляции поведения;
- осуществление упреждающих изменений в организме, направленных на достижение максимальной готовности к будущим событиям (оперативная преднастройка);
- программирование активного поведения в ближайшем и отдаленном будущем (целеполагание, выработка планов, стратегий и программы действий и т.п.).
Все эти процессы в большей или меньшей степени связаны с вероятностным прогнозированием. Под ним понимается предвосхищение будущего, основанное на вероятностной структуре прошлого опыта и информации о наличной ситуации. Вероятностное прогнозирование может быть ориентировано как на отдаленную, так и на ближайшую перспективу. Кроме того, оно может быть обусловлено преимущественно внешними (ситуационными) или внутренними (мотивационными) факторами.
Соотношение этих двух факторов может широко варьировать, соответственно варьируют и функции, выполняемые синтезируемыми моделями в организации поведения. Крайними, полярными их проявлениями являются ожидание (когда ход событий рассматривается как не зависящий от субъекта) и желание (модель потребного будущего, являющаяся регулятором активного поведения человека).
Однако в любом случае характер вероятного прогнозирования обусловлен субъективными вероятностями человека.
Субъективная вероятность представляет собой численное выражение уверенности конкретного лица в том, что данное событие в действительности произойдет. Именно в соответствии с этой уверенностью и предпочитает действовать человек. Таким образом, субъективная вероятность является не столько характеристикой самих событий, сколько характеристикой человека, производящего классификацию этих событий. Она отражает собственную информацию и мнение человека о возможном наступлении тех или иных событий.
Формирование субъективных вероятностей может соответствовать различным подходам к формированию вероятности [42].
- Прямое оценивание частоты наблюдаемых событий. Многочисленные эксперименты показывают, что люди в среднем хорошо определяют относительную частоту оцениваемых событий. Например, ошибки в определении постоянного процентного соотношения исходов бинарных событий не превышает 5%, при этом тренировка и опыт слабо влияют на результаты оценивания. Установлено, что возможные ошибки в оценивании частоты событий часто связаны с эмоциями. Люди охотно верят гипотезам о статистических свойствах совокупностей. Например, последовательности событий в азартных играх ошибочно приписывается причинная зависимость или определенная закономерность.
- Использование данных, причинно связанных с рассматриваемым событием. В этом случае находится условная вероятность события при имеющихся данных. Примером может служить прогноз погоды как определение вероятности выпадения дождя. Субъективность оценок связана как с недостаточностью данных, так и с неадекватностью моделей. При обоих рассмотренных путях формирования субъективных вероятностей существует тенденция недооценивать малые вероятности и завышать большие значения.
- Подсознательный учет множества хранящихся фактов и впечатлений. Обычно перед принятием конкретного решения приходится производить переоценку случайных вероятностей различных альтернатив при уточнении сведений о ситуации. Эксперименты показывают, что обычно субъективные оценки апостериорных вероятностей изменяются в том же направлении (уменьшаются или увеличиваются), что и при вычислении их по правилу Бейсса, но не достигают теоретических (вычисленных) значений. Это свидетельствует о том, что люди обычно не могут полностью извлечь всю информацию из полученных сведений и изменить апостериорные вероятности в соответствии с данными наблюдений. Существует определенный консерватизм вывода, т.е. люди склонны не придавать фактам их полного значения [42].
Рассмотрим основные отличия между объективными и субъективными вероятностями. Первые признают существование вероятности в объективном мире и определяют ее как меру возможности тех или иных объективных событий. Второе понимание признает
существование вероятности только в человеческом уме и определяет ее как меру человеческого знания. Математическая теория вероятности отвлечена от природы вероятности и поэтому может быть одинаково пригодна для вычислений обоих видов вероятности. Системный подход к природе вероятности состоит в признании существования как вероятности объективных событий, так и вероятности человеческих суждений.
Причем во многих случаях субъективные вероятности достаточно близки к объективным, более точно описывают поведение человека.
Таким образом, изменение понимания исходных предпосылок теории информации приводит к изменению понимания ее математического аппарата (формализма). От понимания этого формализма как статического, многозначного и объективного приходим к прямо противоположному его пониманию как нестатического, однозначного и субъективного.
Это открывает перед теорией информации дорогу к точным, наиболее совершенным и объективным областям знаний, поскольку возможность точных (а не вероятностных) предсказаний в практической деятельности человека ценится достаточно высоко [65].
К числу важнейших информационных процессов относятся также сенсорно-перцептивные процессы (СПП). Под ними понимают совокупность преобразований, которым подвергается сенсорная информация, поступающая на вход СПИ, прежде чем она превратится в собственные управляющие сигналы системы либо будет зафиксирована в памяти человека.
Из всего многообразия физических явлений, происходящих в окружающем мире, человеческому восприятию доступна лишь небольшая, но биологически важная их часть, а именно:
- спектр магнитного излучения, связанный с возникновением температурного чувства;
- инфракрасная часть спектра, которая может также косвенно стимулировать температурное чувство благодаря его нагревающему воздействию;
- видимая часть спектра (380 - 760 нм), связанная с формированием зрительных впечатлений;
- некоторые виды механических и гравитационных воздействий, включая и акустические, воспринимаемых благодаря наличию механических чувств: слуха, чувства равновесия, давления, боли и др.;
- обоняние и вкус, выделяемые в сферу химических чувств и обеспечивающие чувствительность человека к вкусовым качествам и запахам.
Помимо перечисленных сигналов внешней среды на вход СПИ поступают сигналы обратной связи, а также сигналы, формируемые внутренней средой организма. Одним их примеров таких сигналов могут быть кинестезические (проприоцептивные) сигналы, несущие информацию о движении человека, положении частей его тела и прилагаемых им мышечных усилиях.
Эти сигналы также включаются в процесс переработки информации.
Диапазон потенциально воспринимаемых человеком сигналов (область адекватного отражения) ограничен верхними и нижними абсолютными порогами. Причинами этих ограничений являются как биофизические, так и геометрические особенности периферических отделов сенсорной системы.
Однако в каждый момент времени только лишь часть потенциально возможных сигналов может отображаться человеком в множестве впечатлений. Одной из причин этого является ограниченность ресурсов СПИ.
Другая причина обусловлена тем, что разрешающая способность СПИ подвержена флюктуациям в связи с динамикой психических состояний субъекта, его индивидуальными особенностями, условиями решаемой им задачи, субъективным отношением к ней и т.п. Поэтому пороги ощущений являются случайными величинами, зависящими не столько от собственных свойств сенсорной системы, сколько от рабочих характеристик человека в целом, включающих в числе прочих и особенности процессов принятия решений в соответствии с избранной стратегией поведения.
