Методология системотехнического проектирования электронных и радиоэлектронных средств (в двух частях)
..pdf
Сопряжение свойств человека-оператора и ТС происходит через человеко-машин- ный интерфейс, от качества которого зависит качество функционирования системы «человек–машина». Создание высокоэффективных человекомашинных систем (которые являются частью более сложных эргатических систем) является целью эргодизайна ТС [20].
Эргодизайн– научно-техническое направление, предметом изучения которого является деятельность, направленная на формирование у проектируемого объекта таких свойств, которые обеспечивают при взаимодействии с ним человека функциональный комфорт и придают ему большую эстетическую ценность. Объектами эргодизайна являются процесс и средства деятельности (внешние и внутренние), а также условия её протекания (санитарно-гигиенические, социокультурные, психологические и т.п.).
Эргатическая система – сложная система управления, в состав которой входит человек-оператор (или группа операторов), например система управления космическим кораблем, диспетчерская служба аэропорта, вокзала, морского порта и др. [20]
У человеко-машинных систем должен быть комплекс эргодизайнерских показателей конструкции, которые можно разделить на три класса: гигиенические, антропометрическиеи физиолого-психологические, они в свою очередьделятсяна группы
(таблица 3.10).
Таблица 3.10 – Эргодизайнерские показатели
Гигиенические |
Антропометрические |
Физиолого- |
|
психологические |
|||
|
|
||
Освещенность |
Компоновка |
Статические |
|
Тепловой баланс |
Досягаемость рабочих органов |
и динамические нагрузки |
|
Уровень шумов |
Конструкционные характеристики |
(скоростные и силовые) |
|
и вибраций |
(размеры, форма) |
Зрительные |
|
Уровень электромаг- |
Соотношение объема |
Слуховые |
|
нитных полей |
и пространства |
Одорантные |
|
Уровень ионизации |
Пропорциональность и симмет- |
Эмоциональные |
|
Токсичность |
ричность конструкции |
Тактильные |
|
Климатический |
Композиционно-гармонические |
Информационные |
|
комфорт |
|
|
Требования, предъявляемые к человекомашинным системам (применительно к электронной аппаратуре следует иметь в виду также человекоприборные или человекоаппаратные системы), регламентируются нормативными документами – законами (закон РФ «О сертификации продукции и услуг» и др.), государственными и отраслевыми стандартами, санитарными нормами и правилами.
280
Так, в СанПиН 2.2.2/2.4.1340-03 «Гигиенические требования к персональным электронно-вычислительным машинам и организации работы» изложены базовые требования, которые должен учитывать проектировщик при разработке современных вычислительных систем.
–Требования к ПЭВМ.
–Требования к помещениям для работы с ПЭВМ.
–Требования к микроклимату, содержанию аэроионов и вредных химических веществ в воздухе на рабочих местах, оборудованных ПЭВМ.
–Требования к уровням шума и вибрации на рабочих местах, оборудованных ПЭВМ.
–Требования к освещению на рабочих местах, оборудованных ПЭВМ.
–Требования к уровням электромагнитных полей на рабочих местах, оборудованных ПЭВМ.
–Требования к визуальным параметрам ВДТ, контролируемым на рабочих местах.
–Общие требованияк организациирабочих мест пользователей ПЭВМ.
–Требования к организации и оборудованию рабочих мест с ПЭВМ для взрослых пользователей.
–Требования к организации и оборудованию рабочих мест с ПЭВМ для обучающихся в общеобразовательных учреждениях и учреждениях начального и высшего профессионального образования.
–Требования к оборудованию и организации помещений с ПЭВМ для детей дошкольного возраста.
–Требования к организации медицинского обслуживания пользователей ПЭВМ.
–Требования к проведению государственного санитарно-эпидемиологи- ческого надзора и производственного контроля.
Знание и учет перечисленных показателей и требований необходим уже на ранних стадиях проектирования электронной аппаратуры, будь то персональныйкомпьютер илираспределенная вычислительная система.
Одним из основных направлений эргономического исследования является анализ психофизиологической сущности функциональной деятельности человека-опе- ратора. Наиболее характерной особенностью деятельности оператора является то, чтоон лишен возможности непосредственнонаблюдать за управляемыми объектами и вынужден пользоваться информацией, поступающей к нему по каналам связи.
Восприятие информации человеком-оператором осуществляется органами чувств, которые для него служат «входами» (в смысле человека-оператора как биологической системы, представляемой моделью «черного ящика»). «Выходами» для человека-оператора служат органы речи и двигательные реакции, которые также несут определённое количество информации. Учитывая это, человека-оператора можно представить в виде сложной системы, предназначенной для приёма, переработки и выдачи информации и охваченной обратными связями (рисунок 3.14).
281
Рисунок 3.14 – Функциональная схема человека-оператора в управляющей системе
Каждый из блоков системы человек-машина характеризуется двумя важнейшими параметрами: временем реакции 1 и вероятностью получения правильного результата P. Правомерность принятия конкретного значения Pi для каждого из блоков связана с тем, что, во-первых, информация, получаемая человеком, не всегда может быть исчерпывающей, во-вторых, она по-разному воспринимается людьми, в-третьих, целенаправленные действия человека не всегда выполняются безошибочно и, в-четвертых, часто человеку-оператору приходится иметь дело не с реальными объектами, а с их моделями.
Объём информации, перерабатываемой и хранящейся в модели, и правила её организации должны соответствовать задачам и способам управления. Наиболее существенной особенностью работы человека с информационной моделью является необходимость определения степени соответствия сведений, получаемых с помощью приборов, экранов, табло, как между собой, так и с реальными управляемыми объектами. Именно на основании этого анализа строится вся деятельность человекаоператора.
Приведенное описание деятельности человека-оператора позволяет сформулировать основные требования к ее обеспечению на каждом из этапов, но для проектирования системы важна также количественная оценка тех или иных характеристик каждого из этапов.
Время реакции человека-оператора складывается из времен реакции на каждом из этапов его функциональной деятельности. Общее время сенсомоторной реакции – это время, затраченное на выполнение определенного вида реакции (движения или голосовой реакции) в ответ на внезапно появляющийся сигнал с максимальновозможной для человека скоростью. Для упрощения расчетов принято, что время задержки в этом случае складывается из латентного периода реакции – времени от момента появления сигнала до начала ответного действия (таблица 3.11), и длительности моторного действия – времени ответного действия (таблица 3.12).
282
Таблица 3.11 – Сравнительные характеристики анализаторов человекаоператора
Анализатор |
Латентный период, с |
Тактильный (прикосновение) |
0,09–0,22 |
Болевой (укол) |
0,03–0,2 |
Слуховой (звук) |
0,12–0,18 |
Зрительный (свет) |
0,15–0,22 |
Обонятельный (запах) |
0,31–0,39 |
Температурный (тепло-холод) |
0,28–1,6 |
Вестибулярный (вращение) |
0,4–0,8 |
Вкусовой: |
|
– горький |
1,08 |
– сладкий |
0,45 |
– кислый |
0,54 |
– соленый |
0,31 |
Таблица 3.12 – Некоторые характеристики времени и безошибочности действий человека
|
Математи- |
Среднее |
|
|
Наименование действия |
ческое |
квадратичное |
Вероятность |
|
|
ожидание, с |
отклонение, с2 |
|
|
Обнаружение и декодирование сигнала |
1,63 |
0,70 |
0,9700–0,9999 |
|
Поиск и декодирование заданного |
4,10 |
1,52 |
– |
|
сигнала |
||||
|
|
|
||
Поиск органов управления |
|
|
|
|
и осуществление заданного |
5,50 |
2,04 |
0,9610–09850 |
|
управляющего воздействия |
|
|
|
|
Обнаружение сигнала и принятие |
8,40 |
3,30 |
0,9380–0,9780 |
|
решения |
||||
|
|
|
||
Выполнение управляющего |
|
|
|
|
воздействия, состоящего |
3,50 |
2,32 |
– |
|
из нескольких действий |
|
|
|
|
Приём информации и её оценка: |
|
|
|
|
– число воспринимаемых признаков |
|
|
|
|
3–5, задержка во времени появления |
|
|
|
|
10–12 с |
26,40 |
11,50 |
0,8750–09950 |
|
– число воспринимаемых признаков |
|
|
|
|
5–6, задержка во времени появления |
|
|
|
|
15–40 с |
81,0 |
24,0 |
0,4470–0,7830 |
|
– число воспринимаемых признаков |
|
|
|
|
1–2, задержка во времени появления |
|
|
|
|
10–12 с |
20,50 |
8,76 |
0,8550–1,0000 |
|
Проверка логического условия типа |
0,3 |
0,1 |
0,9960 |
|
ИЛИ |
||||
|
|
|
||
Нажатие кнопки |
0,2 |
0,003 |
0,9999 |
|
Считывание информации с табло |
0,3 |
0,002 |
0,9950–0,9995 |
283
Окончание таблицы 3.12
|
Математи- |
Среднее |
|
Наименование действия |
ческое |
квадратичное |
Вероятность |
|
ожидание, с |
отклонение, с2 |
|
Включение тумблера |
0,2 |
0,1 |
0,9990–0,9995 |
Простые реакции по преобразованию |
|
|
|
информации (прямое, кратковремен- |
1,5 |
0,6 |
0,9995 |
ное и оперативное запоминание) |
|
|
|
Выдача и приём речевой команды |
4,0 |
2,0 |
0,9998 |
Взаимодействие человека-оператора с управляющей системой осуществляется поэтапно (см. рисунок 3.14).
На первом этапе (восприятие информации) человек-оператор доступными ему анализаторами (см. таблицу 3.11) выполняет обнаружение объекта восприятия, выделение в объекте отдельных признаков, ознакомление с выделенными признаками
ираспознавание объекта восприятия. Важным параметром, характеризующим способность человека-оператора воспринимать поступающую информацию, является возможная скорость переработки информации (бит/с). Максимальная пропускная способность человека по восприятию информации не превышает 40 бит/с, а номинальная пропускная способность составляет 2–6 бит/с (для сравнения: средняя пропускная способность телевизионного канала 30000 бит/с, а сетевого – несколько гигабит).
Пропускная способность человека-оператора связана с темпом (скоростью) поступления информации от вычислительной системы. Низкий темп поступления информации проявляется в снижении активности человека-оператора. Высокий темп, наоборот, приводит к резкому росту ошибок и отказу человека-оператора от выполнения задачи. Пропускная способность человека-оператора зависит также от условий работы и от того, насколько полно они соответствуют психофизиологическим
иантропометрическим характеристикам.
На втором этапе (оценка информации и принятие решений) время анализа и принятия решений складывается из целого ряда субъективных данных, таких как личностные характеристики умственных возможностей человека-оператора, параметры памяти, его опыт и навыки, которыетрудноподдаются количественным оценкам (таблица 3.13).
На третьем этапе (реакция на информацию) определяющей составляющей во времени реакции является длительность моторного действия, которая труднее, чем латентный период, поддается измерению, так как зависит от многих случайных факторов (места нахождения человека-оператора в момент приёма информации, его позы, степени усталости и т.п., формы пульта управления, расположения органов управления, уровня образования и опыта работы человека-оператора и т.д.). Большинство данных параметров носит субъективный характер. Их трудно оценить численно, поэтомудлительность моторногодействия определяется статистически на моделях или макетах тех или иных устройств с участием человека.
284
Таблица 3.13 – Характеристики умственной деятельности человека
Долго- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
временная |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
память |
|
|
Рабочая память (working memory – WM) |
|
|
||||
(long-term |
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
memory - |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
LTM) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
δLTM X, |
|
|
μWM 7 5 9 цепочек, |
δWM 7 5 226 |
с, |
|
|||
μLTM X, |
|
|
|
δWM 1 цепочка 7 5 34 с, |
|
|
|||
KLTM = |
|
|
|
KWM = Акустическая или визуальная |
|
|
|||
cеманти- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Обработка звуковой информации – Auditory Image Store (AIS) |
|
|
Познавательная обработка |
|
|
|
ческий |
|
визуальной информации – Visual Image Store (VIS) |
|
|
|
(приобретение знаний) |
|
||
|
Обработка |
|
|
Нейрообработка |
Моторная реакция |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
δVIS 200 |
|
δAIS 1500 |
|
τP 100 |
τP 70 |
τP 100 |
|
|
(70–1000) мс, |
|
(900–3500) мс, |
(50–200) мс |
(25–170) мс |
(30–100) мс |
|||
|
|
μVIS 17 |
|
μAIS 5 |
|
|
|
|
|
|
(7–17) знаков, |
|
(4,4–6,2) знаков, |
|
|
|
|
|
|
|
KVIS = физический |
KAIS = физический |
|
|
|
|
|
||
Примечание: δ |
– время стирания информации; |
Х – индивидуальный |
показатель; |
||||||
μ – емкость памяти; K – характер исполнительного органа |
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Диалог свычислительной системой накладываеттребования, которыевомногом определяются уровнем нервно-психологической нагрузки на человека-оператора
(таблица 3.14).
Таблица 3.14 – Характеристики нервно-психологической нагрузки на человека
Характеристики нервно-психологической нагрузки человека-оператора по вниманию
Интенсивность |
Количество одновременно |
Время сосредоточенного |
Частота |
|
наблюдаемых объектов, |
наблюдения относительно |
сигналов, |
||
нагрузки |
||||
шт. |
продолжительности смены, % |
ч–1 |
||
|
||||
Легкая |
До 5 |
До 25 |
До 75 |
|
Средняя |
5–10 |
25–50 |
75–175 |
|
Тяжелая |
10–25 |
50–75 |
175–600 |
|
Очень тяжелая |
Более 25 |
Более 75 |
Более 300 |
|
Легкая |
До 1 |
До 75 |
18–15 |
|
Средняя |
1–0,3 |
75–90 |
15–6 |
285
Окончание таблицы 3.14
Характеристики нервно-психологической нагрузки человека-оператора по анализаторным функциям
|
Размеры объекта |
Время пассивного |
Отношение |
|
|
наблюдения (учитывается |
звукового |
||
Интенсивность |
наблюдения относительно |
|||
и при установке |
сигнала |
|||
нагрузки |
продолжительности смены, |
|||
разрешения на мониторе), |
и шума, |
|||
|
% |
|||
|
мм |
дБ |
||
|
|
|||
Тяжелая |
0,3–0,15 |
90–95 |
6–0 |
|
Очень тяжелая |
Менее 0,15 |
Более 95 |
0–5 |
Если время ответа значительно превышает 2 с, функции, которые человек хочет или может выполнить, изменяются. Человек должен изменить свой ритм работы, как пришлось бы, например, изменить привычку набирать телефонный номер, если бы требовалась задержка между набираемыми цифрами. Как выяснил эксперт по времени ответа Р.Б. Миллер, если задержки превышают критическое значение, то начинаются случайные спады в умственной деятельности, которые можно рассматривать как прерывания, снижающие психологическую деятельность человека.
Кратко рассмотрим некоторые физиолого-психологические характеристики че- ловека-оператора: зрительные, слуховые, тактильные и информационные.
Зрительное восприятие обеспечивает возможность различать форму, цвет, яркость и движение. Установлено, что 80% информации человек получает с помощью органов зрения. Глаз среднего человека способен воспринимать электромагнитное излучение длиной волны 380–780 нм. Способность человека воспринимать информацию зрением характеризуется чувствительностью, полем зрения обоих глаз, остротой зрения, аккомодацией, адаптацией, конвергенцией, цветовымвосприятием, стробоскопичностью и стереоскопичностью.
Слуховое восприятие обеспечивает человеку-оператору прием звуковых колебаний. Слух человека способен воспринимать звуковые колебания в частотном диапазоне от 16 до 20 000 Гц. Колебания с частотами ниже 16 Гц относятся к инфразвуку, а с частотами выше 20 000 Гц – к ультразвуку.
Степень восприятия звука ухом человека зависитот частоты, энергетической характеристики звуковогополя и состояния слухового аппарата человека в данный момент времени. Громкость – субъективный аналог интенсивности звука, оцениваемой в единицах звуковой энергии (Вт/см2) или в относительных единицах – децибелах (дБ). Субъективнаяусредненнаяоценка действия звука с частотой 1 кГц на человекаоператора находится в интервале от порога слышимости (с уровнем 0 дБ, или 10–12 Вт/м2) до болевого порога (с уровнем 130 дБ, или 102 Вт/м2).
Тактильная чувствительность – способность человека воспринимать механические раздражения кожи через нервные окончания, расположенные на ее поверхности. При легком касании к предмету появляется чувство прикосновения, при более сильном – давления, при очень сильном – боли. Кожа ладоней рук и кончиков пальцев относится к числу наиболее восприимчивых к внешним механическим раздра-
286
жениям участков тела человека. Как и другие органы чувств, тактильная чувствительность зависит от ряда объективных и субъективных факторов. Так, она повышается при нагревании кожи и уменьшается при ее охлаждении. При продолжительной неизменной стимуляции тактильная чувствительность может адаптироваться копределенным раздражителям. В этом случае характерные ощущения не возникают.
Под психологическими характеристиками человека-оператора понимают состояния, вызванные переживанием человека, его отношением к внешнему миру и к самому себе. Они определяются изменениями количественных и качественных параметров реакций на воздействия внешней среды. Психологическое (эмоциональное) состояние тесно связано с индивидуальной семантической значимостью поступающей к человеку информации и являются как бы коррекцией, вносимой человеком в ответ, определяемый только информационной структурой раздражителя.
К внешним эмоциогенным факторам относятся прежде всего так называемые экстремальные факторы, физические или информационные характеристики которых ведут к развитию крайней степени напряжения физиологических и психологических функций с полным исчерпанием всех физиологических резервов. Чем более выражена экстремальность фактора, тем выше вероятность появления выраженных степеней эмоциональных сдвигов. Характер этих сдвигов определяется видом реакции, развивающейся в результате воздействия. В случае формирования адекватной реакции, т.е. реакции, направленной на преодоление действий фактора или на поддержание необходимого уровня деятельности при продолжении экстремальности, как правило, наблюдается та или иная степень эмоционального напряжения.
Приведем краткую сравнительную характеристику человека и машины (таблица 3.15). Специалисты по инженерной и технической психологии создали ориентировочные списки основных показателей, по которым сравнивают человека и машину. Предлагаемая таблица составлена на основе нескольких таких списков.
Таблица 3.15 – Сравнительная характеристика человека и вычислительной машины
Показатели, по которым |
Показатели, по которым |
человек превосходит машину |
машина превосходит человека |
Обнаружение полезных сигналов, |
Предостережение (как человека, так |
имеющих очень низкий энергетический |
и машины) |
уровень |
|
Чувствительность к чрезвычайно |
Выполнение однообразных чрезвычайно |
широкому диапазону стимулов |
точных операций |
Опознавание образов и их обобщение |
Способность очень быстро реагировать на |
|
управляющие сигналы |
Обнаружение сигналов при высоких |
Плавное и точное приложение больших |
уровнях шумов |
усилий |
Способность хранить большое количе- |
Хранение и использование большого количе- |
ство информации в течение длительного |
ства информации в течение кратковремен- |
времени и вспоминать полезные сведения |
ного периода |
в нужный момент времени |
|
287
Окончание таблицы 3.15
Показатели, по которым |
Показатели, по которым |
человек превосходит машину |
машина превосходит человека |
Способность выносить суждения при |
Выполнение сложных вычислений быстро |
неполной информации о событиях |
и с большой точностью |
Нахождение и использование |
Чувствительность к стимулам, лежащим за |
эвристических методов решения |
пределами чувствительности человека |
|
(инфракрасное излучение, радиоволны и т.д.) |
Способность реагировать на непредви- |
Одновременное выполнение разнообразных |
денные маловероятные события |
действий |
Проявление оригинальности в решении |
Дедуктивные процессы |
проблем |
|
Способность учитывать прошлый опыт и |
Нечувствительность ко многим посторонним |
менять способ действия |
факторам |
Способность выполнять тонкие опера- |
Способность в течение длительного периода |
ции, особенно в непредвиденных ситуа- |
быстро и точно повторять однообразные |
циях |
операции |
Способность продолжать действия даже |
Действие в условиях вредных или вообще |
в условиях перегрузки |
невыносимых для человека |
Требования к интерфейсам. Итак, интерфейс необходим для установления связи междудвумя функциями или процессами в системе. Из вышеизложенногоследует, чтосуществуютразныетипы интерфейсов:механические, электрические, электронные, передачи данных, человеко-машинные и др. В системе выделяют внешние и внутренние интерфейсы, т.е. элементы, разделяющие функциональные части системы на компоненты [21].
Требования системного уровня к внешним интерфейсам установлены вместе с другими требованиями системного уровня. То есть требования к внешним интерфейсам, как и другие функциональные и эксплуатационные системные требования, распределяются по подсистемам через исходные данные, производные или вниз по потоку.
Внешние интерфейсы образуют границы между системой и окружением. Для уточнения целей интерфейсов полезно задать следующие вопросы о каждой границе системы:
–что система делает для окружающего мира;
–что окружающий мир делает для системы;
–что самое худшее может случиться через этот интерфейс;
–может ли интерфейс измениться в ходе разработки системы;
–может ли интерфейс измениться после того, как система начнёт эксплуатироваться?
Требования к внутренним интерфейсам отличаются тем, что они создаются в рамках декомпозиции системы. Различные решения системы, то есть различные распределения требований, будут создавать разные подсистемы и разные интерфейсы подсистем. Это порождает дополнительные задачи интеграции системы и одно-
288
временно предоставляет возможность команде разработчиков оптимизировать конструкцию системы.
Требования к интерфейсам должны удовлетворять определённым правилам для использования задаваемых функций.
1.Интерфейсы возникают как междуподсистемами, таки междуподсистемами
исистемой.
2.Функции, характеристики, ограничения и допущения интерфейсов должны быть определены и зафиксированы в требованиях к интерфейсам.
3.Должен быть определён владелец каждого интерфейса, даже если это очевидно.
4.Требования к интерфейсу определяют функциональные, физические, характеристические, электрические, экологические, человеческие требования и ограничения, которые существуют на общей границе между двумя или более функциями, элементами системы, элементами конфигурации или систем.
5.Требования к интерфейсу включают логические и физические интерфейсы.
6.Требования содержат по мере необходимости физические измерения, определения последовательностей передачи энергии или информации, а такжевседругие значимыевзаимодействия междуэлементами. Например, коммуникационныеинтерфейсы связаны с движением и передачей данных и информации внутри системы и между системой и окружающей средой. Оценка требований связи включает определение структурных компонентов коммуникаций (например, полосы пропускания, скорость передачи данных, распространения и т.п.) и требования к содержанию (какие данные/информация передаются, что движется между системными компонентами и критичность этой информации для функций системы).
7.Требования к интерфейсу могут быть получены из функционального распределения, если функциональные входы и выходы определены.
Примером внешнего интерфейса является интерфейс между космическим аппаратом и его ракетой-носителем. Ракета-носитель уже существует, и спутник разработан для стыка существующих интерфейсов (электрических, шины обмена данными, термических и механических, вибрационных и акустических).
А для системы радара дистанционного зондирования Земли (из космоса) интерфейс между подсистемой радарного датчика и подсистемой обработки данных является внутренним. Команда разработчиков имеет возможность определять интерфейсы механические, электрические, тепловые и шины между этими подсистемами.
8.Функциональные и ресурсные распределения по подсистемам влияют на требования интерфейса. В качестве примера рассмотрим сжатие данных. Эта функция может быть выделена в радиолокационной подсистеме, подсистеме обработки данных или дажев подсистемесвязи. Так, оптимальнаядекомпозиция системы рассматривается в рамках требований не только подсистем, но и их интерфейсов.
Требования к интерфейсам как часть системных требований должны быть идентифицированы во время определения системных решений. Они фиксируются в моделях функциональной и физической архитектурой, уточняются на собраниях заинтересованных лиц. Когда системные требования декомпозируют по отдельным
289