2.5. Математическое и имитационное моделирование в эргономике

При разработке эргатических систем управления сложным совре-

менным оборудованием необходимо учитывать повышенные требова-

ния к точности, быстродействию и надежности всех составляющих сис-

темы «человек–машина–среда». Большое число измеряемых парамет-

ров и исполнительных элементов приводит к существенному усложне-

нию управляющих алгоритмов. Становится необходимым учет тонких

структур управляемого процесса (особенно это касается производст-

венной среды и «человеческого фактора»), что требует более полного

и точного воспроизведения исследуемой системы. Исследование таких

систем не обходится без использования метода математического мо-

делирования, который может рассматриваться как своеобразный вид

экспериментального исследования систем. Поэтому в эргономике ши-

роко применяются методы математического моделирования, позволя-

ющие описать и учесть параметры человека, факторы машины и сре-

ды, а также их взаимодействие.

Математическая модель – упрощенное описание процесса или си-

туации с помощью математических выражений.

Математическое моделирование обладает рядом преимуществ пе-

ред другими методами моделирования – простота в использовании, точ-

ность, обобщенность, формализация привели к широкому распростра-

нению математических моделей. Кроме того, математическое модели-

рование требует определенной системы знаний, позволяет моделиро-

вать явления там, где раньше это было невозможно, и партнеры эрго-

номистов по исследованиям оперируют количественными значениями

Однако применение математических методов не позволяет учесть

целый ряд особенностей функционирования СЧМ из-за существенного

усложнения модели. Также к недостаткам математического моделиро-

вания следует отнести то, что не каждая модель действительно моде-

лирует реальный производственный процесс и иногда превращается в

набор символов, значков и условных обозначений; при моделировании

некоторых (особенно мыслительных) процессов зависимости настолько

сложны, что не поддаются проверке.

Для оценки эффективности функционирования СЧМ разработаны

различные математические модели. Одной из самых распространенных

моделей является модель А. Зигеля и Дж. Вольфа.

Деятельность оператора в этой модели расчленяют на отдельные

операции, причем операции подразделяют на существенные и несуще-

ственные. Если оператор не выполнит существенную операцию, то он

сорвет решение задачи. Невыполнение или пропуск несущественной

операции только снизит общий эффект деятельности. Разность между

40

временем, отведенным на выполнение задачи, и необходимым для это-

го временем составляет внешний резерв (дефицит времени), а суммар-

ное время несущественных операций – внутренний резерв. При дефи-

ците времени оператор может пропустить ближайшие несущественные

операции. Существует три возможные ситуации.

Первая – несрочная, когда в распоряжении оператора времени дос-

таточно для выполнения абсолютно всех операций.

Вторая – срочная, когда в распоряжении оператора времени доста-

точно для выполнения только существенных операций.

Третья – крайне срочная, когда времени оставшегося у оператора не

хватает даже для выполнения существенных операций в обычном ре-

жиме работы.

На эффективность работы человека-оператора воздействует именно

крайне срочная ситуация. Недостаток времени, оставшегося на выпол-

нение существенных операций вызывает у оператора состояние напря-

женности (стресса). Нарастание напряженности стимулирует деятель-

ность человека до тех пор, пока её значение остается меньше порогово-

го Мп. Когда напряженность превысит значение Мп, её воздействие ста-

новится дезорганизующим (рис. 4).

Для конкретной i-ой операции напряженность Si определяется по

формуле

Ti+

Si =

, (2.1)

T − T

i −

где Si – напряженность при выполнении i-ой операции; T – общее вре-

мя, отведенное на выполнение всего задания; Ti+ – время, необходи-

мое для выполнения оставшихся существенных операций; Ti− – время,

затраченное на выполнение предыдущих операций.

t

t

2 i

ti

33

,

0

t i

S

M п

Рис. 4. Зависимость среднего времени выполнения человеком

операции от напряженности

41

Порог стресса рассматривается как предельно допустимая напряжен-

ность оператора. Значения Мп лежат в пределах 1,9–2,8. Порог стресса

Мп = 2,3 соответствует среднему человеку. Значения 1,9–2,2 характерны

для более спокойных людей, а значения 2,4–2,8 – для менее спокойных.

Возможны два пути исследования реальной физической системы по

его математической модели. Первый из них заключается в проведении

расчетов с помощью тех или иных расчетных методов, оканчивающихся

получением результата в виде графиков, таблиц, формул и т. д. Это

рассмотренный выше метод математического моделирования.

Второй путь предусматривает воспроизведение исследуемого про-

цесса, заданного его математической моделью, в виде искусственно

создаваемого в специальной моделирующей системе физического про-

цесса (системы), подобного или аналогичного исследуемому процессу

(системе) с точки зрения динамики управления. Второй метод сложнее

осуществить, в то время как с развитием вычислительной техники, уп-

рощается решение сложных дифференциальных уравнений высоких по-

рядков. Этот метод получил название имитационного моделирования.

В последнее время в эргономике широкое распространение получил ме-

тод имитационного моделирования.

Имитационная модель – математическая компьютерная модель, в

которую введены динамические элементы. Применение имитационных

методов получило распространение в связи с активным внедрением

ЭВМ в процесс производства и обучения и позволяет избежать отме-

ченных ранее недостатков экспериментальных (предметных) и матема-

тических методов. В основе имитационного моделирования СЧМ лежит

представление о производственной деятельности оператора как сово-

купности отдельных действий. Описание каждого действия задается за-

коном распределения времени выполнения, вероятностью правильного

выполнения. Задаются характеристики оператора, среды, а также вво-

дятся ограничения деятельности. В результате многократного модели-

рования на ЭВМ выдаются результаты функционирования СЧМ.

Применение ЭВМ в эргономике является результатом объективно про-

текающих процессов, направленных на усложнение моделей, ускорение

обработки полученных результатов, автоматизацию проведения научных

исследований. Использование ЭВМ позволяет применять более сложные

модели с большим количеством параметров, накапливать необходимый

объем экспериментальных данных за короткий период времени, получать

количественные характеристики СЧМ, повысить достоверность и сопоста-

вимость результатов различных работ и публикаций, обеспечить автома-

тизацию проведения научных исследований и проектирования.

Применение ЭВМ приводит к необходимости принципиальной пере-

стройки всей структуры эргономического эксперимента, системы взгля-

дов на организацию и проведение эргономических исследований. Очень

большое значение приобретает использование ЭВМ для пространст-

42

венного изображения процессов взаимодействия человека и машины, а

также для проектирования указанного взаимодействия.