Человеко-машинныесистемы, их классификация
исвойства
Термин«эргономика» (греч. ergon – работа, nomos – закон) обозначает науку овзаимодействии человека-оператора с машиной и средой, объединённых в единуюэргатическую систему. Эргономика возникла на стыке технических наук,психологии, физиологии и гигиены труда.
Инженернаяпсихология является отраслью эргономики и ставит своей задачей комплексное изучениеи проектирование внешних и внутренних средств деятельности человека-оператора.
Художественноеконструирование подразумевает использование основных законов эргономики итехнической эстетики при разработке конструкций.
Важнейшийвопрос проектирования эргатических систем представляет собой строго научноеразделение функций между оператором и машиной в будущей системе. Этого не можетсделать ни психолог, ни физиолог, ни гигиенист, поскольку они не знают свойствмашины требуемых характеристик всей системы. Это обязан сделатьконструктор-разработчик, обладающий знаниями эргономики, знающий возможностиоператора в системе, уровень современной автоматики и реализующий общиетребования на систему.
Важностьразвития этой науки в областях радиотехники и конструирования РЭАподчёркивается тем примером, что сравнительный анализ ряда существующихамериканских ракетных систем показал, что ошибки человека-оператора составляют20-53% всех отказов в системе. Нетрудно уяснить, какую роль играетчеловек-оператор в современных системах летательных аппаратов иавтоматизированных системах контроля и производства.
Поэтомуизучение возможностей человека-оператора в замкнутой эргатической системе,согласования его аппарата восприятия с РЭА для оптимизации основной целевойфункции системы является не «модой», а такой же необходимой задачей, как и самопроектирование технических средств.
В общеепонятие «система» входит совокупность элементов, взаимосвязанные функциикоторых координированы для выполнения некоторой общей задачи.
Эргатическаясистема (ЭС) – это система «человек-машина», содержащая качественно разнородныекомпоненты – человека и технические средства.
Эргатическиесистемы чрезвычайно разнообразны и иерархичны. Например, система «командиркорабля(первый пилот) – приборы, органы управления – самолет» и система«штурман-радист – радиоаппаратура самолёта» находятся не только во взаимосвязи,но и подчинены общей более сложной системе «самолёт, выполняющий задание»,которую обслуживают и ряд других наземных систем и комплексов, являющиеся такжеэргатическими системами.
/>
Рис.1. Система управления
/>
Рис.2. Системаобнаружения-контроля
а) Замкнутаясервосистема
/>
б) Аналогияслежения, осуществляемая оператором
/>
Рис.3. Сервосистема
В настоящеевремя системы «человек-машина» в связи с развитием технических средств всёболее и более превращается из систем контроля в системы управления, в которыхчеловек-оператор занимает доминирующее положение. Можно привести несколькопримеров моделирования как самого человека-оператора в эргатических системах,так и самих систем в целом. Например, для систем управления предлагается однасхема (рис.1.), а для систем обнаружения и контроля – другая схема (рис.2).Весьма часто проводится аналогия между эргатической системой и сервосистемой(рис.3). Сервосистема – тип следящей системы, замкнутая электромеханическаясистема, где на выходе воспроизводится изменённая определённым образом входнаявеличина.
Классификацияэргатических систем может быть проведена по ряду признаков. По основной целевойфункции они делятся на контрольные, управления, поисковые, восстанавливающие иобучающие эргатические системы.
В первомслучае выходные сигналы оператора можно не вводить в наблюдаемую им систему.
Операторздесь включён в систему «как бы параллельной» (хотя на схеме рисунка этовыглядит последовательно). Основная функция оператора – контроль, наблюдение засистемой, измерение её параметров и т. п. Примером такой системы может являтьсяработа оператора с индикатором кругового обзора ИКО.
В системеуправления оператор становится непосредственным участником в выполнении системыеё задачи и включён в систему «как бы последовательно» (по схеме рисунка –параллельно) с техническими элементами системы.
Основнаяфункция оператора – регулирование, слежение, стабилизация и приведениекоординат выхода системы к их заданному значению. Эта система замкнута черезоператора.
Системыуправления имеют две разновидности: систему слежения с компенсацией и системуслежения с преследованием. В первом случае оператор наблюдает толькорассогласование между текущим выходным показателем (координатой) системы итребуемым значением, и его задача состоит в том, чтобы довести величинурассогласования до нуля или до заданного уровня, то есть скомпенсировать ошибкурассогласования. Примером таких систем могут являться системы регулированиясамой РЭА, системы регулирования технологических процессов и т. п.
При слежениис преследованием оператор наблюдает величину как входного, так и выходногосигнала, и его задача состоит в том, чтобы, управляя машиной, изменять выходсистемы и тем самым как бы «преследовать» её вход. Примерами таких систем могутявляться системы посадки самолёта, работы бортовой РЛС в режиме захвата исопровождения цели и др.
Поисковая ЭС,как правило, возникает при отказе функционирующей ЭС, когда требуетсявмешательство оператора для определения причин и места отказа в системе. Онавключает в себя оператора, проверяемую машину и устройство поиска.
ВосстанавливающаяЭС возникает после определения причины отказа, и главная функция оператора втакой системе – восстановить систему путём ремонта или демонтажа неисправногоблока.
Примерамиобучающих ЭС являются различного рода тренажёры, обучающие машины и т. п.
По типуинформационной модели ЭС делятся на:
1) ЭС сдифференциальной информационной моделью,
2) ЭС синтегральной информационной моделью.
Дифференциальнаяинформационная модель (ИМ) включает в себя подробные сведения об отдельныхпараметрах ЭС. Как правило, информация от «машины» к оператору поступаетпервичная, без предварительной обработки.
При этомоператор получает точную количественную оценку состояния отдельных элементовтехнической части ЭС, её выходных параметров. Чтобы получить общеепредставление о состоянии ЭС на основе показаний детальной ИМ, операторунеобходимо определённое время для обработки всей разрозненной информации. При дефицитевремени это может привести к принятию неверных решений. Примером такойдифференциальной модели может служить совокупность контрольных шкальныхприборов, устанавливаемых раньше в кабине лётчика.
Поэтому присовременных скоростях самолётов стремятся создавать совмещённые индикаторы(рис. 4), однако, назвать их интегральной ИМ пока что нельзя.
ИнтегральнаяИМ даёт общее, суммарное представление о функционировании ЭС, для этого всистеме используют дополнительные блоки обработки первичной информации.
Например,разработаны т. н. коналоги (рис. 5) – индикаторы, дающие условные изображениявзлётно-посадочной полосы или «дороги» при движении объекта. Хотя изображение ипроецируется на электронно-лучевом индикаторе, однако оно не являетсятелевизионным.
Основноепреимущество коналогов состоит в том, что они позволяют использовать основноесвойство восприятия – предметность.
Кроме этого,рассмотренный выше тип коналога позволяет освободиться от восьми отдельныхиндикаторов.
Другойособенностью коналогов является также то, что они предусматривают и получениеточной количественной информации либо «по вызову», либо с помощьюдополнительных периферийных индикаторов, обрамляющих коналог.
/>
Рис. 4. Совмещённыйсамолётный индикатор
/>
Рис. 5. Совмещённыйсамолётный индикатор коналог
Свойства ЭСопределяются свойствами основных её звеньев, а именно, оператора и «машины».Отметим некоторые из них, по которым оператор или машина превосходят друг другапри выполнении определённых функций.
Операторпревосходит «машину» в следующих функциях:
-обнаружениислабых световых и звуковых сигналов;
-восприятии,интерпретации и организации сигнальных образов различных модальностей;
-осуществлениигибких операций управления;
-хранениибольшого количества информации в течении длительного времени и её использованиив нужный момент;
-образованиииндуктивных умозаключений;
-изменениипоказателей в результате обучения;
-формированиипонятий и выработке методов;
-организациии объединении показаний входов, различных по модальности, по параметрам.
«Машина»превосходит человека-оператора:
-быстротойответа на сигнал;
-способностьюприменять плавно и точно большую силу;
-выполнениемповторных стереотипных действий и задач;
-хранениеминформации в сжатой форме и полным освобождением от ненужной информации;
-скоростьюрасчётов;
-способностьювыполнять одновременно несколько различных функций.
Прежде чемболее подробно остановиться на параметрах оператора и технических средств и ихсогласовании, отметим некоторые общие правила разработки ЧМС:
Приразработке ЭС необходимо применять системный подход, а именно:
а) выяснятьвзаимосвязи и свойства совокупности объектов, входящих в систему, в том числе иоператора;
б) создаватьи применять такие системы, которые давали компромиссы между «машиной» — оператором – средой для оптимизации основной целевой функции всей системы(«получить оптимальную систему из всех оптимальных звеньев невозможно»);
Несмотря насовместное выполнение функций оператором и «машиной», каждая из такихсоставляющих ЭС подчиняется в своей работе собственным, свойственным ейпринципам и закономерностям;
Необходимопомнить, что оператор «не любит крайностей»: ему плохо работается как придефиците, так и при избытке времени (информации), как при ярком освещении, таки в темноте и т. д.
Системадолжна быть сконструирована так, чтобы оператор мог непрерывно приниматьучастие в её функционировании на уровне, соответствующем его возможностям(низкий уровень интереса к работе и морального состояния оператора может бытьсвязан с двумя причинами: когда аппаратура требует высокой квалификации отнизкоквалифицированного оператора и, наоборот, низкой квалификации от высококвалифицированногооператора);
Максимальнаяавтоматизация не всегда полезна; думающий оператор занимает центральное место всистеме; поэтому задача состоит в том, чтобы показать, что система поддаётсявысокой автоматизации, а в том, чтобы доказать, что она нуждается в ней; машинаслужит не для вытеснения и замены оператора, а для умножения его мощи испособностей.
В заключениирассмотрим вопросы распределения функций в ЧМС. При проектировании любойрадиоэлектронной системы, будь то радиолокационная станция, система ближнейнавигации, контрольно-испытательная аппаратура или просто электронные часы, мы,по существу, решаем задачу распределения функций между человеком и РЭС.
Обоснованиерационального или оптимального варианта распределения этих функций опирается нарезультаты количественных оценок качества выполнения задач оператором и РЭС иметоды оценок влияния этого качества на эффективность системы в целом.
В результатераспределения функций между оператором и РЭС могут быть получены исходныеданные для обоснования объёма информации, вида её предъявления, скорости испособа её обработки.
Функциичеловека в системе «оператор — РЭС» достаточно разнообразны и определяютсяособенностями РЭС.
В системахобнаружения сигналов (например, локационный обзор участка пространства) человекосуществляет обнаружение, наблюдение, классификацию сигналов с помощью техпризнаков, которые учтены автоматизированным устройством системы; получениеинформации и её согласование с пропускной способностью каналов связи.
Диспетчерскиесистемы обеспечивают следующие функции человека: выдачу и редактированиеисходных данных; выдачу команд и пуск системы; принятие решений внеопределённых ситуациях; прогнозирование обстановки при её изменении; выборцелей в зависимости от обстановки; операции контроля за работой системы.
Системыслежения позволяют определить «свой – чужой» объект, следить за сигналами спомощью признаков, не учтённых в каналах автоматической обработки информации,принимать решения в аварийных ситуациях.
Функциячеловека в системах связи можно определить следующим образом: выбор каналовсвязи в зависимости от обстановки, выделение значимой информации и еёклассификация по приоритету, обеспечение слуховой радиосвязи, передачаинформации.
Вконтрольно-испытательных системах (стенды, пульты) оператор должен определятьвиды программ автоматической проверки системы и выдавать команды на их пуск,оценивать результаты проверки стенда, выборочно проверять состояние ифункционирование узлов и частей системы при отсутствии информации о неисправностях,диагнозировать вид неисправности и её причины, принимать решения о мерах повосстановлению системы.