Моделирование в инженерной психологии

Показатель стереотипности достигает максимального значения, равного К, когда в алгоритме нет логических условий, т.е. последовательность действий оператора однозначно детерминирована и не зависит ни от каких условий. Минимально возможное значение этого показателя равно 1; оно получается в том случае, если после каждого оператора следует логическое условие.
Показатель логической сложности определяется выражением
L =

∑

n = 1

P_n(л) X_n(л),(5.2) где X_n(л) - число проверяемых логических условий в группе из 1, 2 ..., n таких условий; P_n(л) - вероятность таких групп.
Этот показатель определяет необходимость перестройки системы действий в случае изменения системы
сигналов. Он может быть использован для оценки динамического компонента деятельности оператора. Возможные пределы изменения 0 ≤ L ≤ m.
Помимо рассмотренных показателей Z и L при инженерно-психологической оценке используются также их модифицированные значения [10].
Напряженность (интенсивность) выполнения алгоритма определяется числом элементарных оперативных единиц, выполняемых в единицу времени. Этот показатель оценивается по формуле
V_a =

K + m

,(5.3) Общую сложность выполнения алгоритма человеком-оператором, учитывающую все стороны выполнения этого алгоритма, предлагается оценивать по формуле
S₀ =

V_aSZ

,(5.4) где S - средняя скорость переработки информации, вычисляемая по формуле (2.5).
Рассмотренные показатели позволяют дать количественную оценку деятельности оператора. Они используются для сравнительной оценки однотипных видов деятельности, широко применяются также при проведении инженерно-психологической оценки СЧМ.
Однако при практическом использовании этих показателей нужно иметь в виду, что они определяют не столько сложность деятельности оператора, сколько сложность записи алгоритма на языке ЛСА. Недостатками такого подхода являются следующие:

не учитывается реальная сложность отдельных операций алгоритма;
не учитываются логические связи (т.е. структура алгоритма), так как во внимание принимается лишь число, состав и группировка операций алгоритма. Другими словами, оценивается только один, наиболее типичный вариант реализации алгоритма;
не учитывается вероятность (частота встречаемости) алгоритма в деятельности оператора. Исследования показывают, что в ряде случаев именно этот фактор оказывает более сильное влияние на результаты работы оператора, чем показатель S₀.

Данные обстоятельства ограничивают область применения алгоритмических методов в инженерной психологии. Дальнейшее развитие этих методов должно происходить путем введения в расчетные соотношения для определения показателей V_a, S₀ переменных, характеризующих сложность выполнения (трудозатраты, напряженность и т.п.) отдельных действий, входящих в общий алгоритм деятельности оператора.

Необходимо учитывать также вероятностные характеристики различных алгоритмов.
Рассмотренные методы описания деятельности оператора являются основой для ее последующего анализа, в результате которого вскрывается сущность отдельных ее элементов и деятельности в целом, даются указания о способах ее выполнения. Наиболее разработанным является системный подход к анализу деятельности, разработанный В.Д.

Шадриковым [202]. При таком подходе предусматривается несколько уровней анализа: личностно-мотивационного, компонентно-целевого, структурно-функционального, информационного, психофизиологического, индивидуально-психологического.
Уровень личностно-мотивационного анализа предполагает изучение системы потребностей личности, с одной стороны и возможностей их удовлетворения, заложенных в особенности профессии, - с другой. Степенью взаимосоответствия этих двух аспектов определяется уровень мотивации трудового поведения.

На уровне компонентно-целевого анализа вскрываются цель и значение каждого действия в общей структуре трудовой деятельности. При этом должна рассматриваться не только внешняя сторона, но и внутренняя, связанная с реализацией психических свойств работника и психических процессов, участвующих в выполнении действий.

На уровне структурно-функционального анализа изучаются принципы организации и механизмы взаимодействия отдельных действий в целостной структуре деятельности. При этом вскрываются связи между отдельными действиями, их значимость и вес. На уровне информационного анализа выявляются
те признаки, ориентируясь на которые работник выполняет трудовые действия, устанавливаются способы получения работником информации, необходимой для деятельности, изучается организация информационного потока во времени и т.п. На психофизиологическом уровне проводится изучение физиологических систем и процессов, опосредствующих деятельность. Большое значение при этом придается анализу активационных и информационно-энергетических процессов.

Уровень индивидуально-психологического анализа предполагает изучение субъекта деятельности, личности работника во всем многообразии ее свойств. В результате сочетания всех перечисленных уровней описания деятельности она предстает как многоуровневое полиструктурное образование. При этом системный анализ требует рассматривать любое явление в развитии, что по отношению к профессиональной деятельности выступает, в частности, как требование изучения процесса овладения деятельностью, становления профессионального мастерства. Дальнейшая разработка методов системного анализа деятельности требует конкретизации приемов выявления существенных связей изучаемых структур и их динамики.

В качестве одного из таких приемов можно использовать регистрацию психологических свойств, синхронно проявляющихся и воздействующих друг на друга при совершении того или иного действия. В результате строится матрица связей, которую можно выразить графически в виде структуры профессионально важных свойств работника (структурограмма).

Моделирование в инженерной психологии

Моделирование деятельности оператора является одним из важнейших методов инженерной психологии. Оно применяется в тех случаях, когда исследование реальной деятельности не представляется возможным.

Такие случаи могут возникнуть при проектировании СЧМ, когда реальная деятельность еще не существует и тогда моделирование является одним из основных (а в ряде случаев и единственным) методов изучения будущей деятельности. К помощи моделирования приходится
прибегать и тогда, когда натурные испытания слишком дороги, трудоемки, требуют значительного времени либо связаны с опасностью для здоровья и жизни человека.
В общем случае под моделированием понимается процесс изучения какого-либо явления с помощью модели. Моделью называется некоторый искусственный объект, находящийся в каком-либо соответствии с изучаемым объектом или явлением (оригиналом); каким-либо подобный ему. При этом модель должна обладать определенными свойствами, главнейшими из которых являются:

некоторое объективное соответствие с оригиналом;
возможность замещения оригинала на некоторых этапах исследования;
возможность переноса полученной в результате исследования с моделью информации на реальный объект.

Моделирование в самом общем плане применяется для решения двух задач: обучения и исследований, направленных на разработку или расширение теории и на отыскание ответов на практические задачи [19]. Моделирование в обучении (в том числе и операторов) имеет два аспекта. Во-первых, моделирование здесь нужно как способ познания мира путем формирования у обучаемых научно-теоретического мышления, позволяющего воспринимать действительность посредством моделей реальных явлений и процессов.

Модельный характер мышления и принятия оперативных решений наиболее ярко проявился при использовании алгоритмического подхода при обучении операторов энергоблоков [197]. Во-вторых, моделирование в обучении связано с применением моделей для демонстрации физических явлений, для пояснения принципа действия изучаемых установок, для тренировки персонала действующих производственных объектов.
Для определения классов исследовательских задач, решаемых путем моделирования деятельности оператора обратимся предварительно к структурной схеме представления его в качестве звена систем человек-машина (рис. 5.3).

На сенсорные входы оператора поступают входные сигналы X_i. Оператор характеризуется некоторыми своими внутренними параметрами P_j и
правилами (структурой) преобразования r_m входных сигналов в выходные реакции у_k. В процессе работы на оператора воздействуют некоторые факторы рабочей среды Ф_п.
Тогда задачи моделирования можно разбить на четыре класса:

Прямые задачи, при решении которых считаются известными X_i, P_j, Ф_п, r_m. Требуется определить выходные реакции у_k.
Обратные задачи, в которых по известным реакциям у_k, а также по заданным P_j, Ф_п , r_m требуется найти тот диапазон входных воздействий X_i, который вызывает данную реакцию.
Инверсные задачи, требующие определения психологических показателей оператора Р_j по известным или определенным тем или иным способом правилам переработки информации и значениями входных воздействий X_i и реакциями на них у_k.
Индуктивные задачи, целью которых является нахождение или уточнение правил r_m переработки информации при заданных остальных параметрах.

Особенности рассмотренных классов задач поясним на простейшем конкретном примере. Пускай зависимость времени τ_оп решения задачи оператором от количества содержащейся в ней информации Н описывается математической моделью, известной под названием закона Хика и выражаемой формулой
τ_оп = f (H) = a₀ +

,(5.5) где а₀ - скрытый (латентный) период реакции; V - скорость переработки информации оператором.
Тогда прямая задача заключается в определении выходной реакции τ_оп по известной функции f(H), входному воздействию Н и параметрам оператора а и V. Задача такого типа является характерной при проведении инженерно-психологической оценки. При решении обратной задачи по заданной реакции τ_оп, параметрам а₀ и V и функции f(H) определяется, какое допустимое количество информации может содержаться в задаче, предъявляемой оператору для решения. Подобная задача решается при предъявлении инженерно-психологических требований к технологическому процессу или оборудованию.

В инверсной задаче по известным или заданным параметрам τ_оп, Н, f(H) определяется, какими показателями а₀ и V должен обладать оператор для успешного решения данной задачи. Такая задача возникает при проведении профессионального отбора.

И, наконец, при решении индуктивной задачи ставится цель определения вида функции f. Такая задача носит чисто научный характер и направлена на получение нового или уточнение уже известного результата.
В зависимости от степени соответствия (подобия) модели оригиналу различают полное, частичное и приближенное моделирование [19]. Полное моделирование математически характеризуется следующим соотношением параметров модели (X_i) и оригинала (у_i)
x_i = m_iy_i,(5.6) где m_i - масштабные коэффициенты.
При частичном моделировании выражение (5.6) справедливо для параметров, изменяющихся либо только во времени, либо только в пространстве. При приближенном моделировании некоторые факторы, влияющие на протекание процесса (деятельность оператора) либо вообще не моделируются, либо моделируются приближенно, т.е.
x_i ≠ m_iy_i или х_i ≈ m_iy_i.(5.7) Это заведомо вызывает погрешность, которую нужно оценить тем или иным способом. Определение степени
соответствия модели и оригинала производится методами теории подобия, которая разрабатывает соответствующие критерии подобия [19]. Это имеет важное значение для инженерной психологии, поскольку создаваемые здесь модели деятельности оператора являются, как правило, приближенными и требуют проверки с помощью критериев подобия.
Моделирование в психологии вообще, и в инженерной в частности, развивается в двух направлениях:

знаковая или техническая имитация механизмов, процессов и результатов психической деятельности - моделирование психики;
организация того или иного вида человеческой деятельности путем искусственного конструирования среды этой деятельности - моделирование ситуаций, связывающих изучаемые психические явления.

Частным случаем моделирования ситуаций является моделирование деятельности оператора.
Моделирование психики - метод исследования психических состояний, свойств и процессов, который заключается в построении моделей психических явлений и изучении функционирования этих моделей с использованием полученных результатов в качестве данных о функционировании психики. По способу отражения объекта в модели можно выделить следующие классы моделей психики: знаковые (образные, вербальные, математические), программные (жестко-алгоритмические, эвристические, блок-схемные), вещественные (гипотетические и бионические).

Примерами моделей психики являются системы искусственного интеллекта, эвристические машинные программы, устройства для распознавания образов (перцептроны), приборы типа искусственный глаз, электронное ухо и многие другие. Модели психики имеют в инженерной психологии ограниченное применение, входя в ряде случаев лишь в качестве отдельных элементов в модели деятельности оператора.
Моделирование деятельности оператора является частным и наиболее важным для инженерной психологии случаем моделирования ситуаций. Следует сразу же отметить условность понятия моделирование деятельности, поскольку, как отмечает А.И. Нафтульев, в большинстве случаев (особенно при применении математических
и имитационных моделей) моделируется не сама деятельность, а лишь последовательность выходных реакций в зависимости от последовательности входных воздействий. Иными словами, осуществляется моделирование лишь внешней, структурно-функциональной стороны деятельности [40].

Тем не менее термин моделирование деятельности получил широкое распространение, поэтому им будем пользоваться и мы.
Основные задачи, решаемые в инженерной психологии путем моделирования деятельности оператора, заключаются в следующем [42].

Получение основных представлений о характере деятельности человека в СЧМ и создание языка для адекватного описания этой деятельности. Здесь исследуются принципы управления и обработки информации человеком в отдельных подсистемах и ищутся оптимальные частные характеристики этих подсистем.
Подтверждение принципиальной возможности создания СЧМ по определенной схеме и составление отдельных типов схем с целью выбора наиболее перспективных. Здесь определяется структура деятельности оператора, отрабатывается и корректируется взаимодействие элементов СЧМ и проверяется ее работоспособность.

Имитация деятельности в условиях, максимально приближенных к реальным.

Таким образом, посредством моделирования можно решать как задачи, связанные с обоснованием требований к элементам системы со стороны оператора, так и задачи, связанные с обоснованием требований к оператору со стороны системы. Кроме того, можно решать и задачи получения оценок эффективности тех или иных вариантов структуры СЧМ.

Путем моделирования могут решаться и чисто научные, исследовательские задачи. Все это соответствует рассмотренным выше при анализе выражения (5.5) обратной, инверсной, прямой и индуктивной задачам моделирования.
Моделирование помогает добиться наиболее адекватного решения проблемы проектирования деятельности. Однако при построении моделей деятельности оператора необходимо учитывать основные требования к создаваемым моделям; в противном случае снижается их ценность, возникают ошибки и погрешности.

Эти требования таковы.

Модель должна быть непротиворечивой в рамках моделирования исследуемых процессов, способной вписываться в более общую модель и быть основой для детализации частных моделей.
При реализации модели должны быть использованы самые современные технические средства, математический аппарат и данные психологических наук. Важное требование к моделям деятельности заключается в том, что они должны адекватно отображать существенные свойства реальной познавательной и исполнительной деятельности. Лишь при этом условии создаваемые модели окажутся пригодными для прогноза эффективности того или иного вида деятельности, а также с точки зрения затрат и времени на создание модели.
Модель должна выполнять определенные информационные функции, нести новые знания о структуре моделируемых процессов, обеспечивать прогноз их функционирования, выявление новых свойств этих процессов [40].

Применяемые на практике модели операторской деятельности в зависимости от способа их построения
разделяются на мысленные (идеальные), знаковые, вещественные (предметные). Условно в отдельный класс могут быть выделены также имитационные модели. Классификация моделей приведена на рис.

5.4.
К мысленным моделям относятся такие, которые существуют только в идеальном плане, т.е. в сознании оператора. К ним относятся прежде всего цели, планы и программы предстоящей деятельности.

Очень часто оператор, предпринимая какие-либо действия, предварительно проигрывает в уме возможные варианты действий, оценивает их последствия, выбирает ту или иную последовательность их выполнения, т.е. строит гипотетическую модель предстоящей деятельности. Как уже отмечалось, в деятельности оператора очень велика роль различного рода образов: перцептивных, оперативных, моторных и других.

Любой образ, создаваемый оператором, есть не что иное, как модель той или иной ситуации. Принятие оператором решения по управлению осуществляется на основе концептуальной модели реальной обстановки.
Велика роль мысленных моделей при проведении тренировок операторов. Прежде всего речь идет о так называемой идеомоторной (от греч. idea - идея, образ, лат. motor - приводящий в движение) тренировке, когда оператор совершает те или иные действия в ответ на мысленное представление о той или иной ситуации. Близким к рассмотренному является и отработка требуемых действий путем решения различного рода вводных (случилось то-то и то-то, ваши действия).

В этом случае и рабочая ситуация, и ее модель, а зачастую и выполняемые действия существуют только в идеальном плане.
Знаковые модели представляют собой описание деятельности оператора с помощью той или иной системы знаковых средств. Они делятся на вербальные (словесные), символические, схематические, математические.
Вербальные модели - это словесное описание деятельности оператора, они являются одним из основных методов профессиографии, служат основой для последующего анализа и построения более абстрактных, более формализованных моделей. Существенный недостаток вербальных моделей заключается
в их неполной формализации. Это связано с тем, что описание какого-либо факта операторской деятельности может быть детальным или схематичным; может быть выражено разными словами; нередко одно и те же научные понятия разные исследователи выражают разными терминами.

Все это снижает ценность вербального моделирования. Кроме того, вербальные модели не способны к функционированию: изучая их, нельзя проверить исследуемый процесс в действии, в изменении.

Вербальные модели деятельности - это недействующие, застывшие модели.
Символические модели представляют описание деятельности с помощью специальных символьных (символических) языков. По сравнению с вербальными эти модели обладают большим уровнем абстракции, однако их статичность по-прежнему остается.
Схематические модели описывают деятельность оператора с помощью различного рода функциональных и структурных схем, граф-схем, диаграмм и т.п. Примером их является функциональная схема переработки информации человеком (рис.

2.1), структурная схема системы человек-машина (рис. 1.1), описание деятельности с помощью граф-схем (рис. 5.1) или органинграмм (рис. 5.2) и т.п.

По сравнению с предыдущими эти модели обладают большей наглядностью, однако с их помощью также тяжело изучить исследуемый процесс в динамике.
Математические модели представляют собой наиболее формализованные модели. При их построении изучаемый процесс (деятельность оператора в целом или ее отдельные стороны) описываются не словами, а языком математических формул и графиков. Поэтому такие модели точнее предыдущих, они более понятные представителям различных стран и профессий.

Математические модели более приспособлены для изучения деятельности в динамике, позволяют учитывать влияние различного рода факторов. Это возможно за счет изменения тех или иных параметров модели.
Однако математические модели имеют один существенный недостаток: они описывают главным образом лишь внешнюю сторону деятельности оператора,
форму ее протекания, минуя содержание, которое очень трудно выразить математическими символами и формулами. Выигрывая в точности, математическое моделирование еще дальше, чем вербальное, символическое и схематическое, отходит от реального протекания операторской деятельности в область абстракции.

Тем не менее на определенной стадии научного исследования, в частности при проектировании СЧМ такой подход является необходимым, а зачастую - и единственно возможным.
Еще одним видом моделей деятельности оператора являются предметные (вещественные) модели. Они представляют собой основные геометрические, физические, динамические и функциональные характеристики оригинала. Эти модели могут полностью или частично воспроизводить физическую природу оригинала, либо иметь совершенно другую физическую сущность.

Однако основным требованием в обоих случаях является сохранение (воспроизведение) психологической сущности реальной деятельности. В соответствии со сказанным предметные модели делятся на два основных класса: физические и эквивалентные.

Соответственно этому различают физическое и эквивалентное моделирование.
Физическое моделирование в инженерной психологии представляет собой процесс исследования человеко-машинной системы путем замещения ее составных частей объектами той же физической природы, что и сами составные части СЧМ. Другими словами, операторское звено в физической модели представляется реальным человеком (испытуемым, выполняющим роль оператора), а технические звенья - статическими или функциональными макетами оборудования.

При этом достигается наибольшая полнота информационного представления в модели характеристик и свойств исследуемой СЧМ, и, что особенно важно, факторы операторской деятельности проявляются композиционно в своих естественных сочетаниях и взаимосвязях.
Для физического моделирования характерно замещение исследуемого объекта его информационным
аналогом. Поэтому качество моделирования в основном зависит от качества такого замещения, т.е. от полноты воспроизведения в технических средствах физической модели не второстепенных, мелких деталей внешнего облика, а основных инженерно-психологических характеристик и свойств реальной СЧМ [4].

Более подробно вопросы физического моделирования деятельности оператора рассматриваются в следующей главе.
Другой разновидностью предметного моделирования является эквивалентное моделирование, когда на модели реализуются явления, не подобные оригиналу в смысле физического или математического подобия, но эквивалентные в том или ином смысле. Здесь подобными считаются явления, которые только в каком-то смысле (например, в смысле результатов), в отношении каких-либо частных процессов, либо отдельных сторон этих процессов или некоторых функций дают условно подобный изофункциональный результат [19].
Примерами такого моделирования применительно к деятельности оператора является исследование групповой деятельности с помощью моделирующих установок типа Гомеостат или Кибернометр, представление одной деятельности с помощью другой. Например, при определенных условиях реакция оператора на последовательность простых или сложных сигналов может служить моделью деятельности оператора в условиях потока сигналов; выполнение когнитивного теста Скрытые фигуры может быть эквивалентно деятельности оператора по поиску нужного сигнала на фоне помех.

В.Н. Пушкин использовал игру в шахматы в качестве модели для исследования оперативного мышления [150]. В некоторых случаях используются специальные методы моделирования факторов рабочей среды [12].

Интересный подход в этом отношении описан в работе [137], где для моделирования некоторых факторов космического полета (например, невесомости) использовались внушенные (путем гипноза) состояния человека.Перечень подобных примеров можно продолжить. Однако видно, что во всех рассмотренных случаях реальная и моделированная деятельности носят внешне совершенно разный характер,
однако результаты моделированной деятельности для определенных функций и отдельных результатов могут быть перенесены на реальную деятельность.
Заканчивая рассмотрение особенностей и возможностей предметного моделирования следует отметить, что в целом физическое моделирование позволяет более глубоко и полно исследовать деятельность оператора по сравнению с эквивалентным моделированием. Последнее пригодно для решения сравнительно узкого круга задач, хотя практически осуществимо намного проще, чем физическое моделирование.
Несколько условно в отдельный класс можно выделить имитационные (от лат. imitatio - подражание, воспроизведение, подделка) модели деятельности оператора. Условность состоит в том, что имитация может носить такой же физический (как у физических моделей), либо математический (как у математических моделей) характер. В этом плане имитационные модели можно рассматривать как разновидность соответственно физических и математических моделей. В то же время имитационные модели имеют по сравнению с ними и принципиальное различие.

В физических и математических моделях исследуется в том или ином виде сама деятельность с помощью математических выражений либо путем ее воспроизведения в лабораторных условиях. С помощью имитационных моделей исследуется лишь подражание реальной деятельности, что и позволяет выделить их в самостоятельный класс моделей.
Не все рассмотренные разновидности моделей находят одинаковое применение для исследования и проектирования деятельности оператора. В работе [54] отмечается, что существуют три различных способа моделирования: копирование, формализация и имитация.

Соответственно они представляют собой физическое, математическое и имитационное моделирование деятельности оператора. Именно им и будет в дальнейшем уделено основное внимание.
В ряде случаев такого различия не делается и все предметные модели считают физическими [166]. :: :: :: :: :: :: :: :: :: :: :: :: :: :: :: :: :: :: :: :: :: :: :: :: :: :: :: :: ::

Содержание раздела