2.1.4. Инженерно-психологическое проектирование и оценка систем "человек-машина"

История развития техники, в зависимости от способа учета человеческого фактора при проектировании, взглядов на место человека в проектируемой системе, знает три различных подхода к проектированию.

Первый подход связан с развитием "традиционного" технического проектирования. Он заключается в проектировании отдельно взятых, изолированных технических устройств без учета их взаимной связи. Стыковка, взаимное согласование этих устройств осуществляется только на этапе испытаний или же при эксплуатации СЧМ. Особенности работы человека учитываются в ходе проектирования лишь интуитивно, не требуют сколько-нибудь серьезного научного подхода. Для учета человеческого фактора достаточно накопленного человеческого опыта в создании предшествующих устройств. Такой подход был возможен, пока техника была сравнительно проста и не предъявляла серьезных требований к управляющему и обслуживающему персоналу. Хронологически в явной форме такой подход существовал вплоть до окончания второй мировой войны. На смену ему пришел новый подход, связанный с системотехническим проектированием. (9, 21, 34, 37)

Системотехническое проектирование имеет своим объектом не отдельные устройства, а единую техническую систему с учетом всех взаимосвязей и взаимного влияния отдельных устройств друг на друга. Особенностью системотехнического проектирования является то, что оно поставило вопрос об учете человеческого фактора при проектировании. При таком подходе человек рассматривается как один из существенных факторов, влияющих на работу системы. Учет человеческого фактора сводится к проектированию элементов связи человека с машиной (т. е. устройств отображения информации и органов управления) в соответствии с психофизиологическими особенностями работающего человека.

С точки зрения учета человеческого фактора системотехническое проектирование принципиально не отличается от технического. Объектом проектирования по-прежнему является техника (однако не отдельные устройства, а вся система), а человек рассматривается лишь как внешний фактор, влияющий на работу системы.

Однако дальнейшее развитие техники, бурный рост научно-технического прогресса очень быстро обнаружили ограниченность системотехнического подхода. Рассмотрение человека лишь как фактора внешней среды оказалось явно недостаточным для создания высокоэффективных систем, управляемых и обслуживаемых человеком. Оказалось, что только проектирование элементов связи человека с машиной с учетом требований инженерной психологии не всегда обеспечивает требуемые выходные характеристики системы, если определять их с учетом влияния результатов деятельности человека. Иными словами, учет человеческого фактора только при проектировании средств отображения информации и органов управления в различных сложных системах оказался необходимым, но явно недостаточным для обеспечения требуемой эффективности последних. Поэтому на смену системотехническому подходу пришел новый, комплексный подход.

Объектом проектирования при таком подходе является не просто техническая система, а единый комплекс "человек-техника". Человек рассматривается в этой системе как одна из неотъемлемых составных частей этой системы, а при разработке системы проектируется не только работа технических устройств, но и деятельность человека в СЧМ. Иначе говоря, на основании всех достижений науки, техники и практики решается проблема взаимодействия человека и техники в СЧМ с целью повышения эффективности функционирования последней.

Другой особенностью комплексного подхода является необходимость (возможность создания также проекта производства и эксплуатации СЧМ, т. е. производство и эксплуатация уже полностью задаются на стадии проектирования.

Проектирование СЧМ при таком подходе состоит из трех основных частей: технического, художественного (дизайнерского) и инженерно-психологического. Техническое проектирование заключается в разработке технической части СЧМ, оно подробно охарактеризовано выше. Художественное дизайнерское (дизайнерское - от английского design (замысел, проект, проектирование); термин "дизайн" равнозначен термину "художественное конструирование") проектирование заключается в обеспечении необходимых потребительских свойств системы: красоты, удобства эксплуатации и др. Дизайнерское проектирование является отражением свойств эмоционально-мотивационной сферы человеческой деятельности, эстетического отношения к предмету проектирования.

Инженерно-психологическое проектирование (ИПП) заключается в решении всех вопросов, связанных с включением человека в проектируемую систему. Одной из основных задач ИПП является создание проекта деятельности человека аналогично тому, как задачей технического проектирования является создание проекта технической части СЧМ.

Однако только этим не ограничиваются задачи ИПП. Кроме создания проекта деятельности человека, в задачи ИПП входит согласование, стыковка технического и "человеческого" проектов и создание на основе этого обобщенного проекта СЧМ. Следовательно, сущность ИПП заключается в обеспечении оптимального (с точки зрения как человека, так и машины) взаимодействия этих компонентов СЧМ, а также в обеспечении требуемых выходных характеристик (эффективности) СЧМ, определяемых с учетом деятельности человека.

Необходимо особо подчеркнуть значение последней задачи, ибо в ряде источников сущность ИПП определяется как создание проекта деятельности человека без последующего учета влияния этой деятельности на характеристики СЧМ в целом, без оценки того, насколько хорошо этот проект "впишется" в систему в целом. Иными словами происходит нарушение принципа комплексности, а само инженерно-психологическое проектирование в такой постановке противоречит комплексному подходу к проектированию, поскольку проект деятельности человека создается в отрыве от проекта системы в целом.

В зависимости от места и роли проекта деятельности человека в общем проекте СЧМ существует два подхода к инженерно-психологическому проектированию, которые условно могут быть названы антропоцентрическим и равнокомпонентным.

При антропоцентрическом подходе исходят из того, что вначале следует проектировать деятельность человека и ее функции. Технические же средства проектируются, как средства, обеспечивающие возможность эффективного (оптимального) протекания спроектированной деятельности человека, возможность развертывания в нужной форме психических и иных процессов человека, необходимых для осуществления намеченных функций СЧМ.

При равнокомпонентном подходе человек и техника рассматриваются как равноправные компоненты СЧМ, проектирование которых ведется параллельно, одновременно (а в ряде случаев проектирование технических средств даже опережает проектирование деятельности человека) с последующей стыковкой, согласованием обеих частей проекта. Вполне естественно, что при таком подходе на одно из важнейших мест выдвигается инженерно-психологическая оценка выполненного проекта, в результате которого может быть принято решение о соответствии (несоответствии) проекта запланированным требованиям.

Необходимо отметить, что антропоцентрический подход является более прогрессивным и гуманным, он позволяет в принципе осуществить более эффективный проект. Однако пути практической реализации и внедрения в практику ИПП этого подхода в настоящее время еще не определены. Поэтому антропоцентрический подход вряд ли будет внедрен в ближайшее время в практику проектирования. И все же потребности развития и совершенствования техники требуют создания уже сейчас практически пригодных методов проектирования. Более реальным в настоящее время является использование равнокомпонентного подхода к ИПП.

Отдельно следует, на наш взгляд, остановиться на структуре инженерно-психологического проектирования.

На основании сказанного выше под инженерно-психологическим проектированием следует понимать весь комплекс работ по учету человеческого фактора и оценке его влияния на выходные характеристики СЧМ на всех стадиях ее создания. Конечной целью ИПП является обеспечение требуемой эффективности СЧМ за счет рационального учета возможностей человека и технических устройств, их взаимного согласования на всех стадиях проектирования.

Проектирование начинается с анализа задач, которые должна решать система. Для этого проводят анализ статических и динамических характеристик объекта управления, анализ возможных потоков циркулирующей в системе информации, в общих чертах оценивают возможности человека и техники по решению стоящих перед системой задач.

Следующим этапом является распределение функций между человеком и техникой по решению этих задач. Распределение функций ведется с учетом преимущественных возможностей человека и техники по отношению друг к другу и в целях оптимизации некоторого выбранного показателя эффективности СЧМ. Показатель эффективности может быть как частным, так и общим. При оптимизации по частному критерию следует иметь в виду, что система, оптимальная с точки зрения одного критерия, может быть не оптимальной с точки зрения другого. Поэтому более целесообразной является оптимизация по обобщенному критерию при наложении целого ряда ограничивающих условий на частные критерии. Такая задача решается методами математического программирования (линейного, динамического, выпуклого и др.).

После того как найдены исполнители (человек или техника) для каждой из задач, проводится инженерно-психологическое проектирование групповой деятельности, распределение функций между отдельными операторами. При решении этой задачи нужно стремиться к максимально возможному упрощению структуры группы и связей между операторами. Однако при этом всегда нужно иметь в виду, что упрощение структуры группы в ряде случаев может привести к недопустимой информационной перегрузке отдельных операторов. Это явление должно быть исключено в процессе проектирования. В итоге на этом этапе должны быть определены типы и количество рабочих мест, решаемые на каждом из них задачи, необходимые информационные связи между отдельными операторами. После этого следует проектирование технических средств, обеспечивающих взаимосвязь человека и машины на каждом рабочем месте, т.е. проектирование внешних средств деятельности оператора. Здесь осуществляется проектирование средств отображения информации, органов управления, производится общая компоновка рабочего места.

Весьма важным этапом является создание проекта деятельности оператора, иными словами - проектирование внутренних средств деятельности. Наличие этого этапа определяет принципиальное отличие ИПП от традиционного технического проектирования. На этом этапе определяются структура и алгоритмы деятельности, способы ее выполнения, требования к психофизическим характеристикам человека (объему памяти и внимания, скорости реакции, эмоциональной устойчивости и др.), производится проверка выполнения предельно допустимых норм деятельности оператора.

Последним этапом является инженерно-психологическая оценка СЧМ и сравнение полученных результатов с заданными в техническом задании. Инженерно-психологической оценке подлежат основные характеристики СЧМ (надежность, быстродействие, стоимость и др.), условия работы обслуживающего персонала, конструкция системы и особенности организации рабочих мест операторов, а также ряд других вопросов. В случае несоответствия каких-либо характеристик заданным, разработанный проект уточняют, пока не будет получен приемлемый результат.

Инженерно-психологическое проектирование как сложный и обобщенный процесс обладает целым рядом специфических особенностей. Одной из них является циклический характер ИПП. Цикличность ИПП заключается в необходимости решения всех перечисленных задач на каждой из стадий проектирования (при разработке технического задания и предложения, на стадиях эскизного, технического и рабочего проектирования, при различного рода испытаниях и т.д.). При этом на каждой последующей стадии разработанный проект уточняют и улучшают. Следовательно, ИПП есть процесс последовательной оптимизации проекта СЧМ. Если на начальных стадиях большинство задач проектирования решают приближенно, в основном лишь на качественном уровне, то на последующих стадиях эти же задачи решают с большей точностью.

Из сказанного следует, что каждая из задач ИПП в той или иной степени решается на одной из стадий проектирования. Однако уровень проработки и решения этих задач на каждой из стадий проектирования может быть различным. Одни задачи можно решать в общем виде, другие - уточнять после решения их на предыдущем этапе.

Другой важной особенностью ИПП является, как уже указывалось, его комплексный характер. Это означает, что объектом оптимизации в ходе ИПП являются не характеристики человека или машины в отдельности, а характеристики СЧМ в целом.

И наконец, еще одной особенностью рассмотренной структуры ИПП является то, что она не ломает существующую, сложившуюся годами практику проектирования, а лишь дополняет ее в части учета человеческого фактора, позволяет преодолеть ограниченность и трудности других подходов к проектированию.

Следующий вопрос, который мы считаем необходимым рассмотреть, это содержание работ по учету человеческого фактора на различных стадиях проектирования.

При составлении технических требований (ТТ) и согласовании технического задания (ТЗ) определяют назначение системы, решаемые ею задачи и условия функционирования. На основании анализа условий, в которых будет работать система, и учета влияния этих условий на операторов устанавливают степень соответствия характеристик разрабатываемой системы психофизиологическим возможностям человека, определяют (предварительно) эффективность системы с учетом человеческого фактора, дают общую инженерно-психологическую характеристику системы.

Основными вопросами учета человеческого фактора, подлежащими согласованию в ТЗ, являются: эксплуатационная надежность системы в различных режимах с учетом работы операторов; количество и функции операторов, предполагаемый уровень их подготовки и сроки обучения, условия их работы; необходимость, принцип построения, тип и основные требования к тренировочным устройствам операторов; порядок испытаний и оценки соответствия выполненных работ по учету человеческого фактора требованиям ТЗ.

Основными видами работ на этой стадии являются изучение и анализ документов, обосновывающих необходимость разработки системы; изучение характеристик объекта управления; изучение прототипа (если такой имеется); изучение и анализ результатов опроса и анкетирования лиц, эксплуатирующих аналогичную технику.

Для решения перечисленных задач можно использовать методы экспертных оценок, математического моделирования и качественного анализа. На этой стадии должна быть проведена также калькуляция средств, необходимых для обеспечения комплекса работ по учету человеческого фактора.

При разработке технического предложения необходимо провести анализ ТТ и ТЗ, включающий общие характеристики системы, ее описание, а также уточнить функции, решаемые системой. После этого изучают статические и динамические характеристики объекта управления, составляют описание объекта и исследуют возможные методы управления им. Важной задачей является оценка объема и направлений потоков информации, необходимой для управления объектом.

Проводят сравнительную оценку возможностей человека и техники по скорости, точности, надежности и экономичности переработки выявленных потоков информации и предварительно распределяют функции между человеком и техникой. Составляют перечень задач, подлежащих автоматизации, и определяют степень автоматизации системы.

После предварительного распределения задач, решаемых проектируемой системой по отдельным рабочим местам, определяют перечень и характер функций операторов, работающих на отдельных рабочих местах, а также рациональные способы предъявления информации оператору и выдачи им управляющих воздействий.

Разрабатывают предварительные требования к операторам. В результате этого определяют: психофизиологические характеристики, которыми должен обладать оператор; необходимость проведения профессионального отбора; необходимую степень классификации обслуживающего персонала; требования к объему и характеру обучения операторов.

В результате всей проделанной на данной стадии работы уточняют тактико-технические требования к проектируемой системе и техническое задание на эскизное проектирование.

На стадии эскизного проектирования уточняют количество и содержание информации, необходимой для обеспечения эффективного функционирования отдельных подсистем, а также требования к способам и средствам представления визуальной и слуховой информации, определяют возможности и необходимость резервирования информации.

Следующий этап: уточнение и обоснование требований к органам управления, регулирования и ввода информации, разработка рекомендаций по их проектированию. Уточнение и обоснование требований к рабочим местам и окружающим условиям (условиям внешней среды).

На этой стадии продолжается также процесс предварительного проектирования деятельности операторов: разрабатывают рациональные методы и способы выполнения ими своих функций, определяют характер и режимы работы операторов. Для этого составляют перечни режимов функционирования системы и разрабатывают предварительные алгоритмы деятельности операторов в каждом из этих режимов. Продолжается уточнение требований к психофизиологическим качествам операторов, разрабатываются методики отбора и обучения операторов.

При разработке технического проекта уточняют проведенное ранее распределение функций между человеком и техникой, а также распределение функций между отдельными операторами.

Производится детальное проектирование технических средств взаимодействия оператора с машиной на всех рабочих местах. При необходимости изготовляют макет рабочего места, на котором проверяют и уточняют расположение индикаторов и органов управления, а также расположение оператора за пультом управления и условия обитаемости (внешней среды).

Разрабатывают программы и методики испытаний и инженерно-психологической оценки проектируемой системы. Основное внимание при этом уделяют оценке алгоритмов работы операторов - определению временных затрат, вероятного числа ошибок при выполнении каждой функции, степени и характера загрузки оператора, его пропускной способности, реальных и предельно допустимых норм деятельности.

С помощью разработанных методик проводят испытания на макете рабочего места. По результатам испытаний уточняют компоновку рабочего места и алгоритмов работы оператора.

На этой стадии проектирования разрабатывают проекты технического описания и инструкции по эксплуатации. При их разработке обращают особое внимание на обеспечение возможности легкого и быстрого изучения и освоения по ним техники. Разрабатывают также требования к тренажерам, имитаторам и другим вспомогательным средствам.

Заканчивается техническое проектирование оценкой пропускной способности и аналитическим расчетом эффективности системы "человек - машина".

На стадии рабочего проектирования разрабатывают методические указания на конструирование аппаратуры в соответствии с общими инженерно-психологическими требованиями. На этой же стадии изготовляют опытный образец аппаратуры и разрабатывают программу его испытаний с целью проверки соответствия его характеристик требованиям учета человеческого фактора. Составляют программы и методики оценки информационных потоков, определения ошибок операторов, оценки алгоритмов их работы; определения предельно допустимых норм деятельности, пропускной способности и надежности оператора, степени приспособленности аппаратуры для обслуживания ее человеком. Завершается эта работа определением затрат сил и средств при решении перечисленных задач, что необходимо для получения исходных данных для экономического анализа работы системы.

Опираясь на разработанные программы и методики проверяют опытный образец на соответствие ТТ. На основании этой проверки составляют рекомендации и проводят корректировку технической документации на последующие изделия.