Утомление

«Утомление -- чувство, возникающее вследствие работы, временное ухудшение функционального состояния организма человека, выражающееся в снижении работоспособности, в неспецифических изменениях физиологических функций и в ряде субъективных ощущений, объединяемых чувством усталости»-так определили утомление . советские ученые В.П. Загрядский и А.С. Егоров. Академиком АН УССР Г.В. было доказано, что утомление является естественным побудителем процессов восстановления работоспособности. Действует закон биологической обратной связи. При отсутствии утомления не было бы и и восстановительных процессов в организме. Чем выше уровень утомления (разумеется, до определенного предела), тем больше стимуляция восстановления и тем значительнее уровень последующей работоспособности. Заметим и то, что во время восстановления происходит «текущий ремонт» органов и тканей, наблюдается усиление процессов регенерации, заживления ран. Следовательно, утомление не только не разрушает организм, но и поддерживает его. Советский физиолог, профессор И.А.Аршавский, подтвердил этот вывод исследованиями, в которых установил, что физические нагрузки не только не сокращают жизнь, а, увеличивают её продолжительность. Советский психолог Д.Н. Узнадзе разработал деятельную модель, согласно которой потребность, побуждающая человека к труду, формирует у него состояние готовности к действию или установку на работу. Заметим, что в порыве творчества люди часто не испытывают усталости. Позитивная установка на физические упражнения не дает усталости, а дарит мышечную радость. Тонус организма на должном уровне психологически поддерживает исключительно установка. В случае её угасания возникает неприятное чувство усталости. В случае, когда утомление становится привычным, потребность в работе включает дополнительные ресурсы организма и создаёт ощущение легкости, подъема и прилива сил. Состояние утомления в труде характеризует нормальные физиологические процессы. Исключив утомление, будет невозможным добиться развития функциональных возможностей человека. Нормой в проявлении утомления является тот вариант, когда период пассивного отдыха, сна будет достаточно для полного восстановления работоспособности. Нормальное утомление развивается поэтапно, системы организма успевают перестраиваться, давая возможность для компенсации страдающих функций. В том случае выполнения человеком чрезмерно тяжелой, непосильной работы, возникает острое утомление, сопровождающееся быстро нарастающими функциональными нарушениями в деятельности центральной нервной системы.

Если наблюдается недостаточность отдыха, то утомление накапливается и переходит в хроническое. В этом случае человеку требуется длительный отдых для восстановления работоспособности (например, несколько недель, месяц). При отсутствии такового и при продолжении интенсивно трудиться, развивается переутомление, требующее не только отдыха, но и лечения. К.К. Платонов выделил 4 степени переутомления: начинающееся, легкое, выраженное, тяжелое.

Утомление приводит к снижению производительности труда и является весьма сложным и разнородным комплексом явлений. Оно определяется физиологическими, психологическими, результативно-производственными, социальными факторами. Н. Д. Левитов к компонентам утомления относит:

1. чувство слабосилия. Человек чувствует снижение работоспособности, даже когда ещё производительность труда не начала падать. Появляется переживание особого, тягостного напряжения и возникает состояние неуверенности. У человека появляется чувство, что нет сил должным образом продолжить работу;

2. расстройство внимания. Это одно из наиболее утомляемых психических функций. Человек начинает легко отвлекаться, появляется вялость, малоподвижность или, наоборот, хаотическая подвижность, неустойчивость;

3. расстройства в сенсорной области. Подобным расстройствам (под влиянием утомления) подвергаются рецепторы, принимающие участие в работе. При долгом чтении без перерывов у человека начинают “расплываться” в глазах строчки текста. При длительном и напряженном слушании музыки наблюдается потеря восприятия мелодии. К ослаблению тактильной и кинестетической чувствительности приводит продолжительная ручная работа.

4. нарушения в моторной сфере. Утомление наблюдается в замедлении или беспорядочной торопливости движений, расстройстве ритма движений, в ослаблении чёткости и координированности движений, их деавтоматизации.

5. дефекты памяти и мышления. Они относятся непосредственно к сфере, непосредственно связанной с работой. В случае сильного утомления рабочий может забыть инструкцию, бросить в беспорядке рабочее место и, вместе с тем, хорошо помнить о не имеющем отношение к работе. При утомлении от умственной работы особенно сильно нарушаются мыслительные процессы. Однако и при физической работе человек может жаловаться на понижение сообразительности.

6. ослабление воли. Такие качества, как решительность, выдержка и самоконтроль, ослабевают при утомлении.

7. сонливость. При чрезмерном утомлении появляется сонливость как выражение охранительного торможения. Человек часто может засыпать в любом положении, даже сидя при изнурительной работе.

В зависимости от силы утомления проявляются вышеназванные психологические показатели. При слабом утомлении не происходит значительных изменений в психике. Оно лишь сигнализирует о необходимости принять меры, чтобы не снижать работоспособность. Опасно переутомление, резко понижающее работоспособность и производительность труда. В случае же переутомления, описанные выше нарушения в психической сфере значительно заметны.

В динамике утомления можно выделить три стадии.

I. Появление относительно слабого чувства усталости. Производительность труда практически не падает или падает незначительно. Чувство усталости может появиться даже тогда, когда человек, несмотря на тяжелую изнурительную работу, продолжает чувствовать себя вполне работоспособным. Это объясняется повышенным интересом к работе, особым ее стимулированием. Пребывая в таком состоянии (сопротивления утомлению), работник в одних случаях его действительно преодолевает, не снижая производительности труда. Однако в других случаях подобное состояние может привести к некому подобию “взрыва” переутомления, несущему разрушительную силу (для работоспособности).

II. Понижение производительности становится заметным и все более угрожающим. Подобное состояние в большей степени влияет на качество выработки, чем на количество.

III. Острое переживание утомления, принимающее форму переутомления. Кривая работоспособности может снижаться. В отдельных случаях принимает “лихорадочную” форму, которая отражает попытки человека сохранить должный темп работы (он на данной стадии утомления может даже ускоряться, но будет неустойчивым). В итоге рабочие действия могут быть так дезорганизованы, что работник будет не в состоянии продолжать трудиться, переживая при этом болезненное состояние.

Заметим, что существует индивидуальная подверженность утомлению. С. М. Архангельский утверждает, что нарастание утомления и его конечная величина зависят от ряда условий: 1) от индивидуальных особенностей работника; 2) от обстоятельств протекания работы; 3) от качества выполняемой работы; 4) особенностей трудового режима и т. д. Однако на первое место он выдвигает именно индивидуальные особенности работника. Вместе с тем, Н. Д. Левитов считает, что подверженность утомлению зависит от таких индивидуальных характеристик, как физическое развитие и состояние здоровья, возраст, интерес и мотивация к труду, воля. От подобного рода индивидуальных особенностей зависит и то, как чувствует человек утомление и как преодолевает его на разных стадиях.

Рассмотрим практическое применение основных постулатов об утомлении. Под предельно допустимыми нормами деятельности оператора понимаются максимальные значения некоторых параметров, превышение которых может привести к нежелательным последствиям в работе оператора. Наибольшее значение для инженерной психологии имеют предельно допустимые нормы, характеризующие значения информационной нагрузки оператора. Одним из показателей информационной нагрузки является коэффициент загруженности оператора

, (1)

где - общее время, в течение которого оператор не занят обработкой поступающей информации; Т- общее время нахождения оператора на рабочем месте. Из физиологии труда известно, что для операторской деятельности. около 25 % рабочего времени должно быль предоставлено оператору для отдыха, следовательно, = 0,75.

Для операторской деятельности должна быть обеспечена не только допустимая загруженность, но и определенное чередование периодов работы и отдыха (оперативного покоя). Чтобы учитывать это положение, вводится понятие периода занятости Т , под которым понимается время непрерывной, без пауз, работы. Для деятельности оператора рекомендуется, чтобы это время не превышало 15 - 20 мин

Показателем информационной нагрузки является очередь в обработке информации. Частое появление очереди вызывает напряженность в работе оператора, что приводит к увеличению количества допускаемых им ошибок. Появление очереди количественно оценивается коэффициентом очереди

(2),

где - количество сигналов, обработанных в условиях очереди на обслуживание; - общее количество поступивших сигналов. По своей сущности коэффициент очереди представляет собой вероятность обработки информации в условиях очереди. Экспериментальные исследования показывают, что величина р не должна превышать 0,4.

На деятельность оператора большое влияние оказывает не только вероятность появления очереди, но и ее длина. Если длина очереди К превышает объем оперативной памяти, то возможны случаи пропуска сигналов, возникновения ошибок и т. д. Объем памяти человека составляет 5 - 9 сигналов. Этими значениями определяется максимально возможная длина очереди. Среднее же значение длины очереди должно быть несколько меньше и не должно превышать 3 сигналов.

Время пребывания информации на обработке в звене «человек — оператор» не должно превышать некоторое значение, определяемое допустимой продолжительностью цикла управления, т. е.

(3),

где - время пребывания информации на обслуживании, - время ожидания информации в очереди, - время обработки информации оператором, - допустимое время пребывания информации на обслуживании, определяемое особенностями протекания производственного процесса. Из выражения (3) следует

(4),

где - допустимое время ожидания информации в очереди.

На деятельность оператора болышое влияние оказывает скорость поступления информации. Она не должна превышать пропускную способность оператора, которая в среднем равна 2-4 дв.ед/cек.

На основании изложенного выше предельно допустимые нормы деятельности оператора имеют следующие значения

(5)

Фактические характеристики работы оператора не должны превышать соответствующие предельно допустимые нормы. Первые пять из них определяем методами теории массового обслуживания, последнюю- методами теории информации. Применение теории массового обслуживания позволяет решать многие вопросы анализа и организации деятельности человека-оператора. К ним относятся: определение необходимого количества операторов, требований к уровню подготовленности оператора (обученности, скорости реакций, объема памяти и т. д.), допустимой плотности потоков сигналов, поступаюших к оператору; решение некоторых задач организации взаимодействия операторов; возможность вычисления вероятностей различных состояний системы «человек-машина», в том числе и различных нежелательных состояний. Следовательно, так же, как и теория информации, теория массового обслуживания дает количественные методы описания деятельности человека-оператора. Основные характеристики системы массового обслуживания (СМО) — входящий поток и время обслуживания При простейшем входящем потоке и показательном законе распределения времени обслуживания можно получить аналитические зависимости вероятностных характеристик времени ожидания п длины очереди от параметров входящего потока и обслуживающего аппарата (человека-оператора). Например, если деятельность оператора организована таким образом, что требования не могут покинуть систему обслуживания, то необходимо рассматривать СМО с ожиданием. Основные характеристики такой одинаковой системы следующие:

• вероятность того, что оператор не занят обслуживанием поступившей ннформации, т. е. количество требований, находящихся на обслуживании, равно нулю, определяется формулой

,

где -интенсивность входящего потока, -интенсивность обслуживания, приведённая плотность входящего потока.

• Вероятность того, что длина очереди равна

(7).

• Вероятность того, что время ожидания в очереди превышает некоторую величину

(8).

• Математическое ожидание периода занятости

(9).

Для системы с ограниченным временем ожидания начала обслуживания основные характеристики определяем по формулам, приведенным ниже.

• Вероятность того, что оператор не занят обслуживанием поступившей информации, т. е. вероятность того, что на обслуживании в системе пет ни одной заявки

(10),

где приведенное значение времени ожидания.

• Вероятность того, что в очереди на обслуживании находится ровно заявок

(11)

• Вероятность того, что заявка не будет принята оператором, к обслуживанию (фактическое время ожидания будет больше величины )

(12)

• Вероятность того, что поступившая заявка будет обслужена оператором

(13).

Вычисления вероятностей по формулам (10) и (11) весьма трудоёмки из-за наличия в них бесконечных сумм. Формулы (6)-(12) можно применять только в том случае, если входящий поток заявок подчинён закону Пуассона, а время обслуживания - экспотенциальному. Чтобы проверить характер входящего потока, весь диапазон наблюдения входящего потока во времени разбивают на интервалов фиксированной длины . В каждый из этих интервалов может попасть различное количество заявок , где может принимать значения 0,1,2,…, . Количество случаев, в которых количество заявок составляло , обозначим . После этого можно подсчитать многие величины. Параметр (плотность) входящего потока

(14)

Вероятность поступления ровно заявок в течение времени вычисленная на основании опытных данных

(15)

Эта же вероятность, вычисленная опытным путём в предположении, что входящий поток подчинён закону Пуассона с параметром .

(16)

Теоретически значение количества случаев, для которых количество заявок составляет ,

(17).

Проверку степени согласия между теоретическим распределением(в данном случае распределением Пуассона) и опытными данными проводим по критерию Пирсона.Для этого вычислим величину

(18),

которую сравниваем с величиной , определяемой из таблицы критических значений критерия Пирсона для степеней свободы, где m -количество разрядов величины k (в данном случае . Расхождение между теоретическим и опытным распределением считается не существенным, если выполняется условие

(19).

Чтобы построить закон распределения времени обслуживания, весь диапазон изменения времени разбиваем на интервалов одинаковой длины h. Верхнюю границу i-го интервала (i=1,2,…, ) обозначим . Количество элементов, попавших в i-й интервал обозначим n. Тогда на основании опытных данных вероятность попадания случайной величины в i-й интервал

(20),

где -общее количество наблюдений.

Эта же вероятность, вычисленная в предположении, что время обслуживания подчинено экспотенциальному закону распределения

(21),

где -величина, обратная среднему значению времени обслуживания, полученная в результате обработки опытных данных, - середина i-го интервала. Теоретическое количество случаев попадания случайной величины в i-й интервал

. (22).

Различие между теоретическим и опытным распределениями проверяем по формулам (18) и (19). Экспотенциальное распределение можно использовать и при проверке характера входящего потока. Из свойств распределения Пуассона следует, что промежутки времени между моментами поступления соседних требований распределены по экспотенциальному закону.

Построение экспотенциального закона распределения (его функции плотности) рассмотрим на следующем примере.

Пример 2. Построить функцию плотности экспотенциального закона распределения по следующим данным. Проведено =144 измерений времени обслуживания. Весь диапазон измерения времени обслуживания разбит на k=10 интервалов, длительностью h=38 с каждый. Подсчитано количество n случаев попадания значений времени обслуживания в каждый из интервалов длительностью h=38 с каждый. Подсчитано количество в случаев попадания значений времени обслуживания в каждый из интервалов (Табл. 5. По формулам (20)-(22) рассчитаны величины , а так же величина .

0-38	47	0,329	0,361	51,9	0,46
38-76	36	0,252	0,229	38,1	0,28
76-114	23	0,161	0,160	21,6	0.09
114-152	8	0,066	0,097	13,7	2,36
152-190	13	0,091	0,070	10,1	0,82
190-228	5	0,035	0,088	5,5	0,05
228-266	4	0,028	0,024	3,4	0,09
266-304	5	0,038	0,015	2,2	3,65
304-342	1	0,007	0,011	1,5	0,23
342-380	2	0,014	0,090	1,4	0,26

Табл.5

Промежуточные вычисления.

Среднее значение времени обслуживания =87,7 с. Проверка степени согласия опытного распределения с теоретическим, в качестве которого выбрано экспотенциальное, показывает, что различие между ними ие существенное. Найденная по формуле (18) величина =8,29 меньше табличного значения =15,5, найденной из таблицы критических значений критерия Пирсона для степеней свободы.

Методы теории массового обслуживания широко применяются для решения еще одной важной задачи, достаточно недавно возникшей в инженерной психологии,— контроля состояний СЧМ.

Рис 8

Гистограмма эмпирического распределения времени обслуживания оператором поступившего сигнала.

Рис 9

Гистограмма теоретического распределения времени обслуживания оператором поступившего сигнала.

Рассмотрим лишь одно состояние - возникновение информационной перегрузки, т. е. в течение некоторого промежутка времени предъявленное оператору количество информации превосходит его возможности по ее переработке. Однако не будем рассматривать все проявления перегрузки, а возьмем из них лишь два наиболее важных; переполнение оперативной памяти и дефицит времени. Для решения поставленной задачи вначале по известным формулам теории массового обслуживания (6), (8) или (11), (12) найдем вероятности и . Вероятности состояний СЧМ приближённо определим следующим образом. Вероятность переполнения оперативной памяти

(23)

Дефицит времени возникает при условии, если время, реально имеющееся у оператора, меньше требуемого для обслуживания данного требования, т.е. если

(24)

или

(25),

где -заланный лимит времени.

Тогда при отсутствии переполнения оперативной памяти вероятность возникновения дефицита времени

(26),

где -вероятность выполнения условия (25). Вероятность отсутствия информационной перегрузки

(27).

Пример 3. Проектируется автоматизированная система управления, в которой задача оператора - прием, обработка и дальнейшая передача сообщений. Сообщения поступают в случайные моменты времени, источниками сообщений являются несколько управляемых объектов. Плотность потока сообщений от одного объекта составляет 5 сообщений в час. С помощью анализа деятельности оператора установлено, что на обработку одного сообщения оператор затрачивает в среднем время =1,5 мин. Иэ условий протекаиия процесса управления известно, что информация теряет смысл («стареет») через 5,5 мин после поступления ее к оператору

Определить количество объектов, которыми может управлять оператор при условии, что при этом будут обеспечены нормальные условия для деятельности оператора.

Чтобы решить поставленную задачу, необходимо задаться рядом значений плотности входящего потока и выбрать из них тот, при котором предельно допустимые нормы выполняются. Зададимся =30 сообщений в час. Найдём интенсивность обслуживания

=40 сообщений в час.

Приведенная плотность входящего потока = 30/40 = 0,75

Теперь найдем коэффициент загруженности. Он представляет собой вероятность того, что оператор занят обработкой поступающих сообщений (на обслуживании имеется хотя бы одно сообщение)

Коэффициент загруженности

Математическое ожидание периода занятости найдём по формуле

Коэффициент очереди представляет собой вероятность того, что на обработке одновременно находится сообщений (имеется очередь сообщений). Следовательно, с учетом формулы (7) для случаев и

По общим правилам нахождения математического ожидания дискретной случайной величины среднее значение длины очереди сообщений

.

По общим правилам нахождения математического ожидания непрерывной случайной величины среднее значение времени ожидания

.

Допустимое время ожидания

Анализ полученных результатов показывает, что такие нормы, как коэффициент очереди и время ожидания, не выполняются, требования по коэффициенту загруженности и длине очереди выполняются на пределе. Следовательно, при заданных условиях не будут обеспечены нормальные условия деятельности оператора. Чтобы обеспечить нормальные условия, необходимо уменьшить количество управляемых объектов. Проверим выполнение предельно допустимых норм прн плотности входящего потока

При этой плотности вычисления норм деятельности оператора даёт следующие результаты

Из этого следует, что при =25 сообщений в час нормальные условия деятельности оператора обеспечены. Поскольку плотность потока сообщений одного объекта , оператор может управлять пятью такими объектами.

Задачи, рекомендуемые для самостоятельного решения.

3. Исследуется поток ошибок оператора. С группой операторов было проведено N=424 сеансов тренировок. В ходе эксперимента подсчитывалось количество тренировок, в которых количество ошибок было равно k. Результаты эксперимента сведены в таблице.

k				k
0	1			10	40
1	2			11	29
2	4			12	20
3	13			13	12
4	24			14	8
5	35			15	5
6	50			16	3
7	59			17	2
8	61			18	1
9	54			19	1

Определить статистические вероятности возникновения ровно k. ошибок в данном сеансе тренировок. Найти эти же вероятности , вычисленные теоретически в предположении, что поток ошибок подчинен закону Пуассона. Как экспериментальными данными подтверждается гипотеза о пуассоновском характере потока ошибок?

4. Поток сигналов, поступающих к оператору, является простейшим с плотностью = 12 сигналов в час. Время обслуживания — случайная величина, подчиненная экспоненциальному закону распределения со средним значением = 2,8 мин. Из условий протекания процесса управления известно, что информация оказывается устаревшей, если ее обработка начинается спустя 6 мин. и более после поступления. Найти вероятность того, что поступивший сигнал не будет своевременно обработан.

5. Плотность потока сигналов, поступающих к оператору, составляет =8 . Сигналы не уходят с пульта управления до тех пор, пока не будут обработаны оператором. Оператор успевает обрабатывать в среднем = 14 сигналов в час. Если оператор не успевает закончить обработку сигнала в течение 10 мин после его поступления па пульт управления, то такой сигнал теряет ценность для получателя информации. Будут ли нормальными условия работы на данном рабочем месте с точки зрения выполнения предельно допустимых норм деятельности.