Психология труда и инженерная психология

-- уменьшить требования к скорости обработки информации человеком-оператором, особенно для многомерных задач управления.

Весьма наглядно преимущества индикаторов с предсказанием были продемонстрированы в исследованиях, проведенных фирмой Хаджес Эйркрафт. Эти исследования показали, что, решая задачу управления пространственным положением космического летательного аппарата (ЛА), космонавты, использовавшие индикатор с предсказанием, не только значительно точнее компенсировали отклонения ЛА от заданного положения, вызванные различными возмущениями, но и допустили существенно меньший расход топлива. Данные этого исследования приводятся в табл. 2.

Несмотря на вышесказанное, индикаторы с предсказанием почти не используются. В определенной мере это обстоятельство может быть объяснено их большой технической сложностью. Но наиболее вероятным объяснением все же представляется отсутствие основных инженерно-психологических данных о преимуществах и ограничениях индикаторов. Следовательно, задача инженерно-психологического проектирования подобных средств отображения информации весьма актуальна.

Рассмотрим один из частных, но весьма важных вопросов инженерно-психологического проектирования индикаторов с предсказанием: определение оптимального значения времени предвидения, Т_ОПТ. От решения этого вопроса зависят адекватный выбор объема кратковременной и долговременной памяти вычислителя, масштаба индикатора, быстродействия машины и ряда других технических параметров и, конечно, характеристики деятельности оператора.

Для исследования была разработана математическая модель деятельности человека-оператора в режиме слежения с предвидением, которая в общем виде может быть записана таким образом:

где U(t_o + k) --управляющее воздействие оператора в момент t_o + k; А, В, С -- матричные коэффициенты, входящие в уравнения системы управления; Q, R -- коэффициент «веса», т. е. оценки важности ошибки и управления, назначаемые оператором; е -- ошибка сложения; е^{А[ ]} -- матричный экспотенциал; «'» -- знак транспонирования.

Использование этой математической модели деятельности позволило рассчитать (вполне объективно) значение времени предвидения, которое необходимо реализовать в индикаторе с предсказанием для различных по сложности объектов управления. (Подробнее об этом см. [1], с. 425--433).

§ 13. ИНЖЕНЕРНО-ПСИХОЛОГИЧЕСКОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ОЦЕНКА УСТРОЙСТВ ВВОДА ИНФОРМАЦИИ В ЭВМ

Проблема быстрого ввода данных в ЭВМ считается одной из наиболее сложных не только в производстве ЭВМ, но и с инженерно-психологической точки зрения. По некоторым оценкам, в настоящее время свыше 85% всей информации вводится в ЭВМ с помощью перфокарт и перфоленты. К 1980 г. на долю последних придется лишь 10% вводимой информации; примерно 40% ее будет вводиться через системы непосредственного сбора данных на магнитную ленту, 30%--через консольные клавишные устройства с визуальным отображением информации и 20%--через аппаратуру оптического считывания Савинов Ю. А. Новая техника и капитализм. ЭВМ: проблемы производства и применения. М., 1974, с. 52.. В связи с этим широкое внедрение ЭВМ необходимо связывается с инженерно-психологическими исследованиями по организации устройств ввода информации, особенно клавишных устройств.

Вопрос этот стоит чрезвычайно остро. Можно согласиться с американским исследователем Г. Сакманом в том, что при организации устройств ввода сталкиваешься с вакуумом в экспериментальной сфере. Здесь, как ни в какой другой области взаимодействия человека с ЭВМ, технические нововведения и непроверенные реализации «забивают» экспериментальную оценку во всех отношениях.

Несмотря на то, что число работ, посвященных устройствам ввода информации в ЭВМ, значимо возросло, большинство их носит слишком общий, а иногда и противоречивый характер. Рассмотрим некоторые из последних исследований клавиатурных вводов. Э. Клеммер сравнивал конструктивные решения клавиатур со звуковой й визуальной обратной связью. По его данным, нетренированные операторы работают в 3 раза медленнее и делают в 10 раз больше ошибок, чем тренированные. В короткие периоды опытные операторы могут достичь скорости порядка 5 и более ударов в секунду. (Здесь необходимо отметить, что, по более ранним данным, в тех случаях, когда оператор не слишком часто обращается к клавиатуре, скорость обычно составляет 1--1,5 уд./с). На основе анализа исследований по клавиатурам Д. Элден и Р. Даниелс установили основные переменные, которые влияют иа действия оператора с клавиатурами: это характеристики оператора, выполняемые им задачи, конструктивные характеристики клавиатур и факторы окружающей среды. Важное значение имеет констатация того факта, что включение дополнительных переменных, таких как вид ввода (буквенный по сравнению с буквенно-цифровым или цифровым), измеряемые показатели эффективности деятельности (скорость или точность, скорость+точность), увеличивает число еще далеко «е изученных вопросов.

Значительное число исследований касается влияния формы представления входного сигнала. Здесь можно выделить такие переменные, как число альтернативных входных сигналов, число сигналов одной модальности, число модальностей, вероятностная и временная структуры входного сигнала, используемая категория кода. Так, рассмотрение различных группировок цифр для ввода их с помощью клавиатур показало, что группирование не влияет на точность, но скорость при использовании групп из 3 или 4 цифр оказывается выше.

Интересны результаты исследований по изучению факторов кодирования текста. В одном из них изучалось влияние длины и типа слов (реальные слова, бессмысленные слова) на точность и вероятность опознания ошибок тренированными и начинающими операторами. Как и ожидалось, обучающиеся операторы сделали значительно больше ошибок при вводе всех типов слов любой длины. Более того, при всех условиях квалифицированные операторы опознали большее число ошибок. В обеих группах число ошибок увеличивалось и вероятность опознания ошибки уменьшалась с увеличением длины слова. Бессмысленная (для оператора) информация на входе увеличивает время ответа.

В другом исследовании рассматривались вопросы группировки сигналов и ответов квалифицированными операторами. Было показано, что скорость ввода снижается, если следующее сообщение не отображено полностью на индикаторе. Напротив, скорость повышается, если сообщение отображается полностью до момента его входа. Были также получены данные о влиянии на деятельность оператора наряду с другими факторами и совместимости ответных комбинаций между собой.

В третьем исследовании изучался вопрос о влиянии временного группирования произносимых цифр на ввод информации посредством клавиатуры. Каждый испытуемый должен был набрать последовательность из 12 цифровых сообщений. Набор начинался одновременно с началом произношения последовательности. Цифры в соотношении либо проговаривались по отдельности, либо составлялись в три группы по 4 цифры в каждой, с паузами для обоих случаев. Эффективность деятельности оказывалась выше для случая группировки цифр. Это можно объяснить тем, что емкость памяти в таком случае значительнее.

Проблема выбора критерия (показателя) оценки различных клавишных устройств стоит не менее остро, чем проблема выбора критериев оценки средств отображения. В публикациях приводятся данные о том, что в одних случаях наиболее представительной оценкой является скорость, в других -- точность. Следует отметить, что испытуемые с низкой скоростью имеют тенденцию делать большее число ошибок. Есть основания полагать, что при отсутствии непосредственной установки на скорость или точность операторы устанавливают более высокие

требования к точности, а не к скорости. Эти результаты особенно важны для выбора критериев сложности решения оперативных задач с опорой на разные варианты СОИ.

Многие исследователи значительное внимание уделяют вопросу о влиянии обратной связи на процесс работы с клавиатурами ввода информации в ЭВМ. Можно считать установленным, что зрительная и кинестетическая обратные связи играют значительную роль в процессе обучения, а слуховая обратная связь мало сказывается на скорости и точности работы. Самостоятельное выявление человеком своих ошибок преимущественно основывается на кинестезии, причем имеются данные, что обычно 70% ошибок человек выявляет сам.

Обобщение ряда литературных данных позволяет сделать заключение о незначительном влиянии всех видов обратной связи, кроме кинестетической, в процессе профессиональной деятельности. Эти результаты ставят под сомнение довольно распространенное утверждение о том, что надежность ввода информации может быть увеличена введением дополнительного контроля вводимой информации по зрительному или слуховому каналу.

Заметное влияние на характеристики деятельности оказывает расположение клавиш в клавиатурах. Для ввода цифровой информации, по некоторым данным, считается наилучшим размещение клавиш (кнопок) ЗХЗ+1 с началом цифрового ряда сверху, однако имеются и другие рекомендации. Так, при анализе ошибок оператора, работающего на широко распространенной в АСУ ТП клавиатуре УРИ-2М, на которой цифровой ряд начинается снизу, и оператора, работающего на устройстве ВА-345П, в котором клавиши для ввода цифровой информации располагаются по схеме 1X10, т. е. в одном горизонтальном ряду (с возрастанием слева направо), лучшей оказалась клавиатура УРИ-2М. Считается, что для общего усвоения принципов работы на устройствах регистрации, используемых в АСУ ТП, достаточно 4--5 занятий по 2--3 часа. Для приобретения навыков, обеспечивающих скорость регистрации, равную 1,5 зн./с, необходимо отпечатать в процессе обучения 200-- 300 тыс. знаков.

В исследовании, проведенном Федеральным авиационным агентством США, сравнивались две экспериментальные 16-клавишные клавиатуры, предназначенные для ввода одной рукой. Одна из клавиатур имела расположение цифровых клавиш ЗХЗ+1 с цифровым рядом, начинающимся снизу, а другая -- с цифровым рядом, начинающимся сверху. Испытуемыми были диспетчеры УВД. Стимульный материал представлял формуляр, составленный из случайных цифр, букв, символических и условных идентификаторов самолета (две случайные буквы и три случайных числа). Деятельность на клавиатурах с началом цифровых и буквенных рядов сверху оказалась эффективнее как при буквенно-цифровых, так и при чисто буквенных вводах. Однако не было установлено статистически значимых различий при вводе только цифровой информации.

Устройства ввода (клавиатуры) в настоящее время остаются одним из самых консервативных модулей ЭВМ, если оценивать их в параметрах скорости, цены и размера. В то время как для других модулей резко возрастает скорость наряду с не менее резким уменьшением в цене и размере, для клавиатур эти параметры осталась почти неизменными с 1955 по 1974 г.

Основную часть стоимости систем обработки данных составляет стоимость труда по вводу данных. Надо сказать, что этот факт не остался без внимания исследователей. Был предложен ряд технических усовершенствований, в частности, использовалась автоматизация отдельных операций ввода, благодаря которой при воздействии на одну клавишу автоматически вводятся определенные форманты. Несколько исследований в этом плане было проведено и инженерными психологами. В частности, было предложено использовать в качестве устройств ввода буквенно-цифровой информации известные клавишные устройства, внося определенные конструктивные изменения. В ряде работ рассматривается возможность использования для такого рода устройств клавиатуры телефонного типа (ЗХЗ+1 --с цифровым рядом сверху). Например, Л. С. Крамер в лабораторном и полевом экспериментах проверял возможность использования телефонных клавиатур как устройств ввода в ЭВМ при двух расположениях клавиш. В одном варианте вводились две дополнительные клавиши, играющие роль регистров, посредством которых осуществлялся выбор соответствующей буквы. Например, воздействие на правую клавишу соответствовало выбору правой буквы на клавише ввода. В другом варианте число нажимов на клавишу соответствовало выбираемой букве. Первое расположение оказалось эффективнее.

В качестве устройства ввода информации в ЭВМ часто используют клавиатуру пишущих машинок. В настоящее время в США рекомендована к применению стандартная клавиатура пишущих машинок -- так называемая клавиатура QWERTY. Кроме того, было разработано несколько альтернативных аранжировок и конструкций. Еще в 1936 г. Дворок предложил так называемую «упрощенную» клавиатуру (УК). Клавиши на этой клавиатуре размещаются в соответствии с частотой появления букв в английском языке. Сравнительные исследования QWERTY и УК показали определенные преимущества клавиатуры QWERTY, в связи с чем УК не .получили широкого распространения. Однако в последнее время вновь возник интерес к УК. Предполагалось, что эта клавиатура имеет преимущества в легкости обучения, точности, большей скорости ввода. Поэтому в последнее время начаты серьезные исследования упрощенных клавиатур. Получены положительные результаты при использовании УК в нескольких типовых программах обучения подростков и программистов ЭВМ.

Известен и другой подход к организации клавиатур, при котором за основу берутся биомеханические аспекты. Экспериментальные результаты позволили западногерманскому ученому К. Кромеру вывести следующие конструктивные принципы: 1) клавиши следует располагать по форме расположения пальцев на руке, чтобы упростить движение пальцев; 2) секции клавиатуры, предназначенные для каждой руки, необходимо пространственно разнести, что будет способствовать привязке пальцев к определенной позиции; 3) клавиатурные секции для каждой руки должны быть расположены со значительным боковым наклоном, что уменьшит мышечное напряжение. На основе этих принципов разработана так называемая К-клавиатура, эффективность которой, по данным автора, выше, чем у общепринятых клавиатур.

Другой возможной альтернативой может явиться организация клавиатур, в которой клавиши размещаются в алфавитной последовательности. По аналогии с QWERTy обозначим эту клавиатуру ABCDE. Э. Клеммер в своем обзоре отметил, что этот тип клавиатур хуже обычных QWERTY. Однако другие исследователи пришли к иному выводу. Так, Р. Хирш сравнивал характеристики деятельности операторов (непрофессиональных машинисток) при работе на QWERTY и на ABCDE. Испытуемые печатали знакомый материал (свои имена, адреса и т. д.) при акценте в инструкциях на точность. Результаты свидетельствовали об определенном преимуществе клавиатуры ABCDE. К сходным выводам пришел и С.Е. Майке. Он проанализировал работу 30 испытуемых разной квалификации. Половина группы работала на одном из типов клавиатуры, затем переходила на другой тип. Безотносительно к начальному уровню обучен<ности испытуемые показали более высокую скорость при использовании ABCDE-клавиатуры.

В рассмотренных исследованиях технические усовершенствования касались в основном принципов расположения клавиш и не затрагивали собственно структуру клавиатур. Однако, по словам П. Холдена, как раз структура клавиатуры может оказать наибольшее влияние на работу АСУ.

Основываясь на ряде экспериментальных исследований, в которых были выявлены конкретные причины инженерно-психологического несоответствия устройств ввода информации требованиям пользователя, П. Холден предлагает следующие принципы их конструирования: минимум новых навыков; небольшой размер и эргономическая приемлемость; отсутствие сложных входных последовательностей; автоматизация навыка и максимальная концентрация внимания на средствах отображения данных; минимальное число операций и естественность их выполнения. Большинству этих требований удовлетворяют так называемые полуфункциональные, или аккордные, клавиатуры. Не случайно, по-видимому, большинство исследователей проблемы ввода информации в ЭВМ (Т. Элден, Р. Даниэле, А. Ча-панис, К. Грине ,и др.) обращают внимание на необходимость самого широкого использования полуфункциональных клавиатур; это заключение вытекает из анализа многочисленных теоретических и экспериментальных данных, подтверждающих гипотезу о том, что клавиатуры, в которых минимизирована амплитуда достигающих движений, позволяют осуществлять самый 'быстрый ввод информации.

На инженерно-психологических вопросах организации полифункциональных клавиатур следует остановиться специально, поскольку они имеют немалое практическое значение.

Рассмотрим такой вид практической деятельности пользователя, когда его основная задача состоит в том, чтобы принять информацию, перекодировать ее с помощью специальных средств, например клавишных панелей, ввести в ЭВМ. В этом случае основные усилия при разработке клавиатур должны быть направлены, в частности, на достижение максимальной пропускной способности пользователя при минимальном уровне его ошибок.

Нетрудно заметить определенную идейную общность указанной задачи с основными проблемами теории оптимального кодирования, рассматриваемой в классической теории информации. Действительно, в терминах теории информации данная деятельность оператора сводится к вводу в управляемый объект той или иной последовательности информационных сообщений из совокупности, предусмотренной конструкцией пульта. При этом количество информации, вводимое оператором, пропорционально средней информативности символов и общей длине сообщения, которое он способен реализовать за рассмотренный отрезок времени:

где т -- число символов сообщения; х_j -- алфавит сообщений; Р(х_j) -- вероятность появления символа в сообщениях. Эти параметры и должны быть приняты за основу при изыскании путей оптимизации клавишных панелей.

Очевидно, что на заданном фиксированном отрезке времени Т при известных средних затратах времени на любой символ вводимого сообщения ?t_cp можно реализовать сообщение со средним числом символов

Расчетное значение m_cp получается из (2) округлением до ближайшего меньшего целого числа.

Таким образом, задача разбивается на две части: первая часть связана с обоснованием алфавита, который в каждом конкретном случае достаточен и действительно необходим; вторая часть сводится к получению величин средних затрат времени оператора на один символ вводимого сообщения в зависимости от структуры и конструктивного оформления клавишной панели при сохранении заданного объема алфавита сообщений.

При анализе первого вопроса воспользуемся результатами известной в теории информации основной теории кодирования, утверждающей, что при заданном ансамбле U (Uu U₂.-., U_m) из М сообщений с энтропией Н (U) и алфавитом, состоящим из D символов, можно так закодировать сообщения ансамбля посредством последовательностей символов из заданного алфавита, чтобы среднее число символов на сообщение т_ср удовлетворяло неравенству

причем m_ср не может быть меньше, чем нижняя граница в выражении (3). Из формул (3) и (2) находим

Неравенство (4) определяет необходимый и достаточный объем алфавита, который должен быть заложен в клавишную память с тем, чтобы оператор при средних временных затратах на один символ был способен за время Т реализовать любое сообщение из ансамбля U с энтропией H(U).

Перейдем теперь ко второму вопросу. Если рассчитываемый по выражению (4) объем алфавита оказывается большим, то возникают значительные трудности при практической реализации клавишных панелей.

В настоящее время одним из основных принципов организации клавишных панелей является так называемый «раздельный» принцип, когда каждый символ возможного сообщения (реже два или три символа) вводится посредством специально предусмотренной клавиши. Типичными представителями такого рода организации панелей являются клавиатуры пишущих машинок, некоторые вводные устройства в электронных вычислительных машинах и т. д. Клавиатуры с подобной организацией определим как монофункциональные. Ясно, что возникает вопрос о габаритах панелей для монофункциональных клавиатур сложных эргатических систем, алфавит которых содержит десятки и сотни символов В большинстве клавиатур терминалов можно выделить два типа клавиш: 'клавиши данных и клавиши управления. Последние используются с целью выдачи команд другим подсистемам о характере обращения с вводимыми данными. Клавиши данных обычно предназначаются для ввода специальных знаков, алфавит которых в принципе -может быть очень велик. Однако на практике его длина обычно ограничивается величиной в 50--150 знаков.. При этом проблема отнюдь не исчерпывается трудностями размещения многоклавишных панелей и получением приемлемых весовых характеристик пультов, хотя и эти соображения могут оказаться решающими, например, для летательных аппаратов, подводных лодок и подобных объектов.

От выбора габаритов клавишных панелей при определенных условиях начинает непосредственно зависеть пропускная способность операторов. Действительно, пусть п -- число клавиш. Если п достаточно велико, то ясно, что невозможно все клавиши разместить в оптимальной (по отношению ко времени двигательной реакции оператора) зоне пульта. В этих условиях, как показано в ряде работ, время, затрачиваемое оператором на ввод некоторого символа, оказывается зависящим и от размеров, и от размещения соответствующей ему клавиши относительно оптимальной зоны, а следовательно, и от амплитуды достигающих движений оператора. Количественная оценка рассматриваемой зависимости может быть получена на основе известной теоремы выборки Котельникова:

Здесь а и а₁ -- некоторые постоянные, а I_а -- индекс трудности движения, определенный по формуле

где A_j -- требуемая амплитуда движения для воздействия на j-ю клавишу; W/2 -- допустимый разброс движения с амплитудой А. Нетрудно видеть, что W/2 в нашем случае обозначает половину ширины клавиши. Отсюда ясно, что простейшей оценкой для Аt_cp, входящего в (2), может служить, например,

Более точные оценки можно получить с учетом статистических характеристик сообщений, предназначенных к реализации. При известной вероятности j-го символа в сообщениях P_j очевидно, что более достоверным приближением к временным затратам будет ?t_ср, подсчитанное как математическое ожидание ?t_j по соотношению

Из приведенных рассуждений следует, что стремление к увеличению длины сообщения, реализуемого оператором на данном отрезке времени, приводит к необходимости наиболее комлактного размещения клавиш в моторном поле. Это основное инженерно-психологическое требование к организации клавишных панелей.

В качестве возможного подхода, удовлетворяющего указанному требованию, было предложено использовать полифункциональные клавишные панели. Предполагается, что с помощью небольшого числа клавиш путем их возможного комбинирования можно ввести значительное число сообщений. Так, с помощью клавиатуры, составленной из п клавиш, применяя, например, двоичную систему исчисления, можно ввести от п до 2^п -- 1 символов. Естественно, что каждая клавиша в таком случае участвует во вводе 'нескольких символов.

В табл. 3 приведены результаты экспериментального исследования характеристик скорости и точности ввода информации оператором при использовании 24-клавишной и 10-клавишной функциональных панелей, предназначенных для ввода алфавита из 144 символов, и 64-клавишной монофункциональной панели для ввода алфавита из 64 символов.

При работе на 24-клавишной панели, состоящей из двух полупанелей по 12 клавиш, для ввода любого символа производили одновременный нажим двух клавиш -- по одной из каждой полупанели. Количество информации, приходящейся на стимул, рассчитывали по формуле

где С --число символов (144 или 64); Р -- вероятность правильного ответа. Для 24-клавишной и 64-клавишной панелей вероятность правильного ответа принималась всегда постоянной и равной Р = 0,98. Из приведенных в табл. 3 данных видно, что характеристики деятельности оператора оказались значительно лучше при использовании клавишных панелей, структурная организация которых была предложена в ходе инженерно-психологического проектирования.

§ 14. АНАЛИЗ И СИНТЕЗ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ СИСТЕМ ОТОБРАЖЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ

В инженерной психологии наметился переход от изучения отдельных средств отображения и ввода информации к попыткам создания обобщенной инженерно-психологической теории «сопряжения» оператора с аппаратурой. К настоящему времени достаточно четко вырисовалось несколько концепций анализа и синтеза средств отображения информации. Одна из них --структурно-психологическая концепция синтеза информационных моделей --сформулирована В. Ф. Вендой. Другая --концепция анализа средств отображения информации «а основе так называемого системно-лингвистического подхода --предложена А. Г. Чачко [68]. Проблема оптимизации СОИ здесь неразрывно связывается с построением целостной системы. Пренебрежение системным подходом приводит к тому, что конструируются щиты и пульты, перегруженные хаотически расположенными элементами, каждый из которых слабо сочетается с другими, а все вместе -- трудно «сопрягаются» и с людьми, и с машинами.

Основная посылка системно-лингвистической концепции состоит в том, что ключевым этапом проектирования СОИ является выбор языка взаимодействия человека с объектом управления. В силу этого в качестве первоочередных выступают задачи: определения набора знаков, оценки необходимости использования цвета, изменения яркости или акустических сигналов, выделения основных форм организации кодов и структуры. Методика, позволяющая выбрать язык взаимодействия, включает инженерно-психологические приемы и формализм математической лингвистики. Они помогают выработать правила иерархической организации кодов и структур, на основе которых формулируется порождающая грамматика языка взаимодействия. На основе этой грамматики и формируются типичные объединения структур -- гипертексты. Поскольку правила грамматики являются не предписаниями, а разрешениями, множество гипертекстов всегда оказывается большим, чем это необходимо операторам для принятия решений. Отсюда возникает задача выделения оптимального гипертекста для каждого решения. Решение этой задачи рассматривается как наиболее кропотливый этап проектирования СОИ. В основу его положена модель массового обслуживания, где обслуживающим «прибором» считается человек-оператор, а входящим потоком требований-- сигналы, поступающие от объекта и образующие информацию, составляющую гипертекст.

Взаимодействие оператор -- гипертекст описывается для каждого варианта. В описаниях выделяются повторяющиеся части -- вокрамы Этот термин предложен А. Г. Чачко по аналогии с известным термином «терблиг», образованным перевертыванием фамилии Гилбрета. «Вок-рам» -- перевернутое «Марков» -- в честь соадателя теории алгоритмов., которые рассматриваются как элементы решений.

Формальная процедура получения математической модели в рамках системно-лингвистической концепции выглядит следующим образом. Экспериментами установлено, что принятие человеком-оператором решений базируется на особом понимании объекта управления, на глубинной лингвистической структуре [68]. Конкретные решения получаются в результате ряда преобразований -- трансформаций от глубинной структуры к поверхностным продукциям.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Глубинная структура представляется в модели в виде семантической сети (СС).

Каждый узел ОС является списком, состоящим из признаков и их значений. Некоторые из значений, признаков или узлов имеют отметки -- семантические валентности. СС--это граф, в котором отмеченные элементы связаны дугами по валентностям.

Примеры смысловых связей: «является частью...», «осуществляется посредством...», «характеризуется.,.».

Сеть содержит описания технологических элементов («анатомии» объекта), сред и процессов («физиологии» объекта), износа и отказов («жизненного цикла» объекта).

Названные узлы могут быть либо конкретными, либо обобщенными. Конкретные узлы описывают единичные элементы объекта; обобщенные узлы введены для многократно используемых описаний.

Конкретный узел содержит лишь отличия, а общие свойства элемента задаются отсылками к обобщенным узлам и модификаторами.

Деятельность операторов разделяется на пять этапов. Наименования этапов приведены на рис. 6 в многоугольниках. Чтобы получить из СС поверхностные продукции, на каждом этапе используется свой математический формализм.

Для этапа наблюдения таким формализмом служит теория размытых (нечетких) множеств; соответствующий алгоритм вычисления функций членства формирует набор характеристических параметров. Модель сопоставляет образцовые значения параметров с текущими.

Этап оценки опасности отклонения основан на правилах, выявляющих резервное время и последствия его превышения (математический формализм -- передаточные функции объекта-- управления). Оценка опасности может повести к изменению цели управления.

На этапе выявления причин отклонения модель осуществляет поиск по смыслу «центра» и «.периферии» технологической схемы, оценивает «роли» и «вклад» найденных элементов в отклонение. В результате из семантической сети порождается дерево оценки ситуации.

Идеальный процесс порождения дерева -- последовательная деабстрактизация от корня к конечным причинам; реальный процесс зависит от характеристик оператора. Порождение может начинаться с t-ro слоя идеального дерева и выявлять лишь часть причин t-гo и последующих слоев. С процессом порождения сопряжен процесс подбора и переоценки оператором информации. Последний состоит из двух процессов.

Подпроцесс 1 -- выход на слой дерева -- описывается стохастической цепью

где P(t) -- вектор вероятностей уровней для момента t; P(t--1) -- то же для момента t--1; Q(t-- 1)--«нестационарная матрица перехода.

Подпроцесс 2 -- выбор причины в слое -- содержит два этапа: 1. Выбор наиболее информативных источников. Основан на максимизации средневзвешенной полезности:

Таким образом, этап выявления причин отклонения основав на объединении двух математических формализмов -- порождающей семантики и теории статистических решений.

После выявления причины отклонения переходят к этапу планирования корректирующих действий. Причина оказывается корнем дерева планов, которое также порождается на основе семантической сети. Правила порождения сформулированы в терминах целей, средств и ограничений. Процессы порождения аналогичны описанным.

Наконец, для этапа реализации планов характерными являются правила, устанавливающие однозначное соответствие между командами и стандартными подалгоритмами управления---вокрамами. Привлекая соответствующие вокрамы, изменяют состояние объекта, что приводит к новым настройкам семантической сети, т. е. цикл завершается.

Трансформационная модель применена для описания деятельности оператора блока котел -- турбина -- генератор мощностью 300 мВт. С ее помощью синтезирована оптимальная система отображения информации для оператора.

Описанная модель является типичным примером так называемых комбинированных моделей. В комбинированных моделях различные математические формализмы как бы располагаются в одной плоскости и соединяются друг с другом встык. Если бы вместо наружного соединения удалось построить модель, в которой формализмы взаимно проникают друг в друга, сплавляются в единую математическую структуру, получился бы гораздо более эффективный аппарат для математического моделирования деятельности.

В настоящее время имеются отдельные попытки построения таких гибридных структур. В частности, найдены связи между теоретико-информационными формализмами и формализмами оптимального управления, реализован теоретико-информационный подход к задачам статистических решений, осуществлено наложение модели статистической теории принятия решений на один из процессов массового обслуживания, изучено оптимальное управление широким классом систем массового обслуживания, основанное на принципе максимума Л. С. Понтрягина. К сожалению, до сих пор предложенные экспериментальные методики выбора гипертекстов используются еще очень мало.

Подход к построению средств отображения, сформулированный Б. Б. Гурфинкелем, также основан на представлении о системе в целом. При этом под системой (понимается не только система управления (т. е. центр управления с линиями связи), но также и сенсорный аппарат, исполнительный (эффекторный) аппарат воздействующий на среду, и аппарат метаболизма, обеспечивающий снабжение системы материалами и энергией. Единство, определенное таким образом, рассматривается как система деятельности, а центр управления -- как «процессор».

СОИ трактуются как составная часть процессора, что позволяет высказать определенные положения относительно организации информационных моделей на различных иерархических уровнях. Однако собственно психологическая специфика деятельности оператора здесь почти не учитывается.

Значительные потенциальные возможности повышения эффективности функционирования человека-оператора могут быть реализованы посредством структурирования информации на многокомпонентных СОИ. Этот подход позволяет управлять стратегией восприятия.

Б. Ф. Ломов предлагает <при создании СОИ использовать в качестве методов управления стратегией восприятия художественно-композиционные средства, ритмические ряды, акценты, структурирование ситуаций. Развивая эти идеи, А.А. Митькин подчеркивает, что имеются возможности оптимизировать условия деятельности человека-оператора, если правильно определить для наиболее важных наблюдений и в зависимости от особенностей информации, которая должна быть передана, ту или иную форму СОИ. Для каждой формы СОИ характерно: а) специфическое распределение точек фиксации, т. е. наличие более или менее обозреваемых зон, образующих определенную пространственную структуру; б) специфическое преобладание первых поисковых движений глаз; в) преобладание тех или иных направлений и маршрутов обзора, что обусловлено взаимодействием двух факторов: особенностями формы и психофизиологией зрения. При этом оказалось, что весьма эффективным является применение средств композиции с целью организации определенной последовательности обзора.

Заслуживает внимания и мысль о том, что относительная различимость объектов (степень различения по какому-либо признаку) может явиться фактором, позволяющим управлять вниманием человека-оператора и детерминировать маршруты зрительного восприятия. Так, экспериментально сравнивались процессы решения оперативных задач по обычной мнемосхеме теплоэнергетического объекта и по мнемосхеме с последовательным выделением (высвечиванием) контуров, связанных с этапами решения оперативных задач при ликвидации нарушений. Зрительное выделение контуров служило средством управления вниманием операторов. Результаты показывают, что в последнем случае существенно улучшились показатели эффективности решения по сравнению с обычной мнемосхемой. В отдельных случаях время решения задачи сокращалось в 7--8 раз, почти полностью исчезали ошибки, особенно связанные с предупреждением последующих отклонений. Можно предположить, что выделение контуров служит одним из эффективных средств снижения субъективной сложности решаемых задач.

В плане структурирования информации весьма важной представляется разработка принципов обобщения и снижения доли информации, не относящейся в данный момент к оперативной задаче. Так, например, В. Ф. Венда и В. А. Вавилов экспериментально исследовали два таких принципа: 1) принцип разделения информации разной степени обобщенности в пространстве (внешние связи в центре, подробные схемы на периферии); 2) принцип разделения информации тю времени: в нормальном состоянии внутренние схемы не отображаются, а при аварийных нарушениях режима энергосистемы обобщенные схемы частично детализируются в зависимости от характера нарушений. Согласно полученным результатам, использование последнего принципа предпочтительнее.

Принципы организации многокомпонентных СОИ разрабатывались практически с момента зарождения инженерно-психологических исследований и описаны в многочисленных справочных руководствах. Однако до сих пор не удалось избежать некоторой противоречивости при их практическом использовании.

Р. Голдбек и Р. Фаулер приводят оценки деятельности при четырех принципах расположения приборов на панели пульта: 1) с учетом последовательности использования; 2) по функциональному признаку; 3) то частоте использования; 4) по значимости для выполнения задания. Результаты показывают, что при варианте 1 характеристики деятельности лучше как для дискретной, так и для непрерывной задач. Вариант 2 также способствует улучшению характеристик деятельности, но в значительно меньшей степени, чем первый. Расположение приборов по принципам 3 и 4 оказалось неэффективным.

Указанные противоречия свидетельствуют о настоятельной необходимости поиска методик исследования и организации многокомпонентных СОИ. К настоящему времени уже предложено несколько таких методик. В той или иной мере все они основаны на идее упорядочивания элементов на панели.

Одной из них является методика, известная под названием «Анализ звеньев». Основная цель ее -- наиболее эффективное I размещение средств индикации и органов управления в пределах заданной рабочей зоны. Термин «звено» относится к связи человека с конкретным оборудованием. При планировании размещения оборудования на схему наносятся линии, отражающие частоту ,и (или) важность связей между элементами, а размещение считается лучшим в том случае, когда число пересекающихся линий минимально.

Понятно, что эта методика предполагает наличие проекта панели и точных сведений о рабочих операциях. При осуществлении анализа звеньев по чертежам последовательность процедур в соответствии с алгоритмом деятельности рассчитывается и изображается графически в виде линий, соединяющих каждый орган управления и индикаторы в той последовательности, в которой они используются. Высокая концентрация связей для некоторых элементов указывает на необходимость привлечения к ним более пристального внимания. Конечно, данная методика не может претендовать на систематичность и методическую строгость, а рассматривается скорее как основа для предварительных решений по компоновке многокомпонентных СОИ.

Дальнейшим развитием «Анализа звеньев» является методика, разрабатываемая П.Я. Шлаеном и его сотрудниками. Основное положение этой методики: размещение элементов индикации и органов управления желательно производить таким образом, чтобы по возможности максимально упорядочить маршрут их обзора, согласовав его с заранее установленной закономерностью, позволяющей оператору строить стратегию информационного поиска на мнемонической основе. В качестве указанной закономерности может выбираться последовательность, обладающая максимальной мнемоничностью с точки зрения траектории поиска («горизонтальный ряд», «вертикальный ряд», «наклонный ряд» и т. п.). Для количественной оценки оптимальности размещения элементов индикации и органов управления на пульте по критерию соответствия маршрута их обслуживания наиболее «мнемоничным» закономерностям предлагается специальный графоаналитический метод, позволяющий с помощью специальных графиков и эмпирической формулы определить дополнительные временные затраты оператора на поиск элементов индикации и органов управления при различной степени упорядоченности их размещения на пульте.

Суть этой методики состоит в следующем. В определенном масштабе вычерчивается развернутая фронтальная проекция передней панели пульта, на которой места размещения элементов индикации и органов управления отмечаются точками. С учетом различных характеристик «среднего» оператора (антропометрических, рабочей позы и т. д.) определяется точка, через которую проходит линия центрального визирования при угле наклона головы 0--5° и фиксации глаз в нулевом положении. К этой точке привязывается прямоугольная система координат, в которой задаются координаты всех элементов индикации и органов управления, используемых оператором в последовательности, предписанной алгоритмом работы. Известно, что зона с координатами по X, равными ±31°, а по Y--+23°, --33°, называется комфортной с точки зрения информационного поиска. Элементы индикации и органы управления, находящиеся вне указанной области, относятся к некомфортной зоне.

Для каждого элемента минимальные расстояния от осей X и Y с учетом знака откладываются на специальных графиках в последовательности, определяемой алгоритмом работы оператора. В каждой зоне на трафиках для оценки степени отклонения маршрута обслуживания от типовых закономерностей (горизонтальный, вертикальный или наклонный ряд) производится объединение элементов в непрерывный ряд, в составе которого каждый последующий элемент должен иметь коорди-нату, отличную от предыдущей на величину не более чем 3°. Одиночные элементы, не вошедшие в состав группы, условно принимаются за отдельную группу. По данным группирования рассчитывается первый показатель неупорядоченности

где n_гг(вг) -- число горизонтальных (вертикальных) групп; п_нг -- число наклонных групп; n_ур -- общее число уровней группирования; n_общ -- общее число элементов.

Для учета случайности и степени разброса элементов индикации и органов управления на пульте оператора вводится второй показатель, известный под названием критерия фон Неймана,

где a_i-- значение координаты X или Y для i-гo элемента; m_общ -- общее число шагов обслуживания.

Показатель К_х(у) подсчитывается для каждой зоны, затем частные показатели з_х(у) и K_x(y) объединяются в общий показатель Н, который представляет собой их полусумму и вычисляется сначала для каждой зоны, а затем с учетом взаимного влияния зон.

Показатель Н используется для окончательной оценки общей неупорядоченности данного пульта.

Достоинства описанной методики -- в наглядности и возможности получения количественной оценки. Однако она обладает и целым рядом недостатков:

-- выбор начала координат субъективен,

-- точность замера координат невысока,

-- объединение элементов в группы субъективно,

-- подсчет показателя Н с учетом взаимного влияния зон сложен.

Несколько иначе подходит к количественной оценке неупорядоченности информационного поля Ю.Г. Фокин.

По существу, он предлагает вычислять величину неопределенности выбора на информационном поле b требуемых элементов из а имеющихся.

Показатель неупорядоченности информационного поля может быть вычислен тогда по формуле

где r -- количество элементов информационного поля, выбираемых в алгоритме независимо от выбора других элементов; х -- число элементов в оперативном поле; u -- количество упорядоченных последовательностей в алгоритме; i -- номер i-й упорядоченной последовательности; r_1i -- количество возможных направлений выбора последующих элементов; r_2i -- количество элементов в t-й упорядоченной последовательности; х_1i -- количество элементов в i-й упорядоченной последовательности, среди которых выбирается каждый элемент.

Следует заметить, что практическое использование показателя неупорядоченности Ю.Г. Фокина сопряжено со значительными трудностями, связанными с громоздкостью вычислений и отсутствием однозначности в определении параметров а и b.

С.В. Борисов предлагает оценку неупорядоченности информационного поля осуществить с позиций теории множеств. Коэффициент неупорядоченности, 'предложенный С.В. Борисовым, имеет вид

где nl -- число элементов, к которому мы обращаемся при реализации l-го алгоритма; М -- число алгоритмов, реализуемых на данной панели; г_l -- весовой коэффициент l-го алгоритма, определяемый методом экспертных оценок; с(l_эl_А) -- расстояние между двумя одинаковыми элементами эталонного и отображаемого множеств.

По своей физической сущности К_нп -- средневзвешенное расстояние между элементами l_э и l_А. Очевидно, что чем меньше К_нп для данного варианта размещения элементов, тем более приемлем этот вариант.

Важным достоинством предлагаемого метода является то, что процесс вычисления коэффициента неупорядоченности К_нп легко поддается алгоритмизации и может быть реализован на ЭВМ. В то же время неупорядоченность информационного поля пультов, на которых размещено небольшое количество органов индикации и управления, легко поддается счету. Существенным же недостатком является субъективность в выборе г_l.

Ни одна из описанных методик естественно не может претендовать на полноту и завершенность. Требуются еще значительные усилия, чтобы придать им достаточную методическую и научную строгость, причем эти усилия в первую очередь должны быть направлены на анализ психологических факторов. Именно такой анализ, как об этом свидетельствует опыт, может способствовать существенному повышению эффективности СОИ.

Значительный интерес для создания теоретических основ проектирования СОИ и средств ввода информации представляют идеи, касающиеся поиска возможностей расширения сенсорного входа в условиях опосредованного управления производственными процессами. Констатируя тот факт, что почти все существующие информационные модели являются моносенсорными или бисенсорными (их сигналы адресуются зрительному или зрительному и слуховому анализаторам), А. В. Филиппов предполагает, что отступление от этих традиционных, ставших нормой, способов представления информации будет способствовать повышению эффективности операторского труда при выполнении целого ряда задач. В качестве главной проблемы в этой связи выдвигается проблема формирования разномодальных сигналов в определенную систему, которая отображается на полисенсорной информационной модели.

Предлагаются три типа полисенсорных информационных моделей (ПИМ). Первый из типов ПИМ основывается на активирующих межанализаторных связях, что предполагает обусловленность сигналов информационной модели производственной средой. В зависимости от того, какое действие оказывают сигналы специально организованной среды, различаются две модификации этого типа ПИМ: а) ПИМ, включающие сигналы тонизирующего воздействия на ряд функциональных систем; б) ПИМ, где дополнительно вводится направленный сигнал, адресованный определенному анализатору.

ПИМ первого типа основаны на известном принципе дополнительности внешних и внутренних средств деятельности. ПИМ второго типа предполагают дублированное восприятие семантически однородной информации одновременно несколькими анализаторами. ПИМ третьего типа предусматривают независимое представление семантически неоднородной информации сигналами разных модальностей. Здесь также выделены две модификации. В первой -- семантически неоднородная информация оформляется в сигналах, рассчитанных на одновременный прием двумя и более анализаторами. Такое представление информации целесообразно в тех эргатических системах, где возможно накапливание определенной части информации. Во второй модификации семантически неоднородная информация предъявляется по двум (и больше) сенсорным каналам последовательно.

Синтез многокомпонентных СОИ -- в настоящее время во многом еще не формализованная процедура, хотя в ряде описанных выше методик -- в структурно-психологической концепции, структурно-лингвистической и некоторых других -- на различных его стадиях используются математические модели деятельности. Дальнейшая формализация здесь крайне необходима.

Интенсивное развитие теории систем отображения информации (и средств ввода информации) связывается с быстрым развитием и улучшением математических моделей деятельности. Лишь широкое использование математических моделей наряду с использованием других методов может привести к построению достаточно близких к оптимальным многокомпонентных СОИ.

Приведем несколько иллюстраций широких возможностей использования математических моделей деятельности при синтезе СОИ. X.Р. Джене и Р.У. Аллен с целью разработки теории СОИ применяли математические модели деятельности в режиме слежения, построенные на основе известной модели Мак Руера и Крендела. Исследовались 6 видов индикаторов. При этом было наглядно продемонстрировано, как тип индикатора влияет на параметры модели.

Математическая модель деятельности в режиме слежения, построенная с 'помощью аппарата оптимального управления, была успешно применена для выработки требований к отображаемой информации при пилотируемом приземлении с учетом воздействия случайных помех (влияние ветра, изменение динамических характеристик и т. д.). Она использовалась для различных классов летательных аппаратов, динамические характеристики которых были представлены линеаризованными уравнениями движения.

Метод моделирования может быть использован и при разработке отдельных видов интегральных индикаторов. Создаются индикаторы для управления сложными объектами на основе адекватной математической трансформации многомерного пространства состояния системы в обобщенный зрительный образ. Этот образ представляется на экране и всегда соответствует конкретному одномоментному состоянию системы. Он образуется набором линий различных цветов и графиков. Дополнительно может быть использовано звуковое дублирование. По экспериментальным данным, такой индикатор значительно облегчает задачу управления для оператора.

Математическая трансформация состояния объекта управления и внешней среды, реализуемая с помощью модели, функционирующей в ускоренном масштабе времени, как известно, положена в основу построения так называемых индикаторов предсказания, предложенных еще в 1962 г. Ч. Келли. Широкая экспериментальная проверка доказала эффективность применения при организации деятельности операторов специальных контуров для предварительного проигрывания решений на ЭВМ в ускоренном масштабе времени. В последние годы отмечается значительная интенсификация работ по созданию и отработке таких индикационных устройств. Создан адаптированный индикатор предсказания, который облегчает человеку-оператору решение задач опознания, диагностики и адаптации к изменяющимся условиям окружающей среды и к изменениям динамических характеристик объекта управления. В целях отработки такого индикатора проводилось несколько экспериментов. В первом эксперименте использовался индикатор, где отображение реального выхода управляемого объекта, развернутое :во времени, накладывалось на предсказываемые моделью выходные параметры объекта. Этот индикатор позволил оператору более быстро опознавать небольшие изменения выходных характеристик, которые предопределяли необходимость адаптации. Последующие эксперименты продемонстрировали, что индикатор предсказания более пригоден для случая адаптации к медленным непрерывным изменениям параметров управляемого объекта, например для случая изменения характеристик летательного аппарата при расходе топлива.