Обеспечение информационных процессов
Следовательно и характеристики СПП могут широко варьировать в зависимости от особенностей стратегии субъекта.
Под воздействием поступающих на вход СПИ сигналов у человека формируется перцептивный (чувственный) образ. Под ним понимается субъективное отражение в сознании человека свойств действующей на него ситуации. Формирование перцептивного об-00 раза является фазным процессом и включает в себя
ряд этапов: обнаружение, различие, опознание, интерпретация. Обнаружение - стадия восприятия, на которой субъект выделяет объект из фона, но еще не может судить о его свойствах.
Различение - стадия, на которой наблюдатель способен раздельно воспринимать два объекта, расположенных рядом (либо два состояния одного объекта), выделить детали объектов. Опознание (идентификация) - стадия восприятия, на которой наблюдатель выделяет существенные признаки объекта и относит его к определенному классу [93].
Все рассмотренные этапы могут входить в качестве составляющих элементов в развернутый процесс переработки качественных аспектов содержащейся в сигнале информации, обозначаемый как интерпретация. В ходе интерпретации формируется не только целостное представление об объекте, но и происходит дополнение, а при необходимости и коррекция сенсорных данных некоторой информацией, извлеченной из памяти.
Интерпретация делает возможным выявление смысла сигнала, включение его в состав концептуальной модели ситуации, вероятностное прогнозирование дальнейшего хода событий, принятие соответствующих решений и т.п.
Важное значение в замкнутом контуре процесса переработки информации играет психомоторика человека. Под ней понимается объективизация всех форм психического отражения определяемыми ими движениями [132]. В более узком и конкретном плане психомоторика есть реализация психической деятельности посредством движений.
Объективно психомоторика проявляется в психомоторных процессах, которые также можно отнести к числу информационных процессов. Основанием для этого является, во-первых, то, что включение их в состав СПИ позволяет образовать замкнутый контур переработки информации, т.е. придать информационным процессам управляемый характер (с точки зрения кибернетики управление может проходить только в замкнутом контуре), а во-вторых, тот факт, что выполнение любого, даже простейшего действия человеком сопровождается переработкой определенного количества информации. Отановимся лишь на важнейшем
виде управляющих воздействий - исполнительных действиях. Под ними понимается приобретенное в результате обучения и повторения умение решать трудовую задачу, оперируя орудиями труда (ручной инструмент, органы управления и контроля и т.п.) с заданной скоростью и точностью.
В зависимости от вида деятельности удельный вес исполнительных движений может быть различным. Эти действия могут совершаться либо эпизодически, либо занимать большую часть рабочего времени.
Иными словами, в структуре деятельности они могут занимать место основной цели или выступать в качестве средства достижения цели. В первом случае деятельность будет no-преимуществу исполнительной (например, оператор-технолог). Условием успешного выполнения деятельности является формирование, нередко длительное, соответствующих навыков и умений работы с весьма разнообразными инструментами или сложными органами управления. Во втором случае основным содержанием выступают познавательные действия; исполнительные, моторные акты, как правило, просты и не требуют специального научения.
Подобная характеристика справедлива и для исполнительных действий, совершаемых в быту, в игре, в спорте и т.п. [215].
Обеспечение информационных процессов
Для того, чтобы СПИ могла нормально функционировать, протекающие в ней информационные процессы должны быть соответствующим образом обеспечены. Поэтому в состав СПИ входит ряд подсистем, обеспечивающих протекание информационных процессов.
К их числу относятся подсистемы энергообеспечения, хранения и регистрации информации, интенций личности.
Подсистема энергообеспечения информационных процессов обеспечивает выполнение трех важнейших условий:
- адаптивная подстройка текущего диапазона чувствительности входящих в СПИ структур к изменениям параметров внешней стимуляции;
- общая мобилизация ресурсов СПИ при неожиданном поступлении значимых сигналов;
- распределение этих ресурсов между параллельно протекающими процессами с тем, чтобы обеспечить преимущественную переработку той информации, которая в наибольшей степени способствует достижению стоящих перед субъектом целей.
Работа подсистемы обеспечивается механизмами активации, селекции и эмоций. Механизмы активации осуществляют регулирование возбудимости (тонуса) нейронов мозга, устанавливая тем самым требуемую предрасположенность их к выполнению той или иной функции. Этим определяется общее функциональное состояние мозга. Различают тоническую (длительную) и фазическую (кратковременную) активацию.
Тоническая активация обеспечивает выполнение первого из указанных выше условий. От уровня этой активации зависит эффективность переработки информации и деятельности в целом. Взаимосвязь между ними определяется законом Йеркса-Джонсона, графическое его изображение приведено на рис. 2.2.
Как следует из графиков, качество выполнения легких задач с увеличением уровня активации монотонно повышается, для сложных задач обычно имеется некоторый оптимальный уровень активации.
В отличие от рассмотренного, механизмы фазической активации обеспечивают выполнение второго уровня, то есть осуществляют экстренные кратковременные (порядка секунд) сдвиги в уровне активации в ответ на поступление высокозначимого сигнала. При этом фазический сдвиг в уровне активации является, с одной стороны, результатом некоторого, уже осуществленного информационного процесса, а с другой - необходимым условием значительной и оперативной интенсификации последующих информационных процессов [128].
Важным элементом подсистемы энергообеспечения являются механизмы, работа которых проявляется в форме эмоциональных состояний (переживаний) субъекта. Эмоции можно рассматривать как специфический субъективный параметр определенного класса активационных процессов, тесно связанных с организацией целенаправленного поведения, а именно тех,
которые обусловлены прагматической стороной перерабатываемой субъектом информации. Согласно информационной теории эмоций последние есть отражение мозгом величины потребности, ее качества и вероятности удовлетворения в данный момент [165].
Результатом этого является возбуждение системы специализированных мозговых структур, побуждающее субъекта изменить поведение в направлении минимизации или максимизации (продления, повторения) этого состояния.
Рассматриваемые до сих пор активационные процессы обеспечивают общее изменение пропускной способности СПИ по отношению к любым категориям сигналов. Однако реализация целенаправленного поведения в условиях большой плотности поступающей информации, часть которой может быть несущественной для оператора, требует высокой избирательности в переработке этой информации. Поэтому для выполнения третьего из сформулированных выше условий мозг должен обладать некоторыми механизмами, осуществляющими перераспределение ограниченных
ресурсов СПИ в пользу избранной категории сигналов. Это осуществляется путем селекции информации.
Селекция (от лат. selectio - отбор, выбор) заключается в отборе полезной информации в процессе восприятия, обусловлена его избирательностью и определяется задачами деятельности человека. Механизмы селекции информации включают в себя как жесткие, так и гибкие звенья.
К числу жестких звеньев следует отнести особенности структуры нервной системы и органов чувств, обусловливающих избирательную чувствительность лишь к определенному виду раздражителей, ограниченность доступной одномоментному восприятию области пространства, ограничения в скорости переработки информации и т.п.
Все эти структуры и механизмы составляют основу для развертывания более гибких и дифференцированных процессов селекции информации, регулирующих протекание информационных процессов, относящихся к сфере психики. Ведущая роль при этом принадлежит, с одной стороны, интенциям (от лат. intentio - намерение, стремление) субъекта, то есть его мотивационной сфере, а, с другой стороны, требованиям ситуации (внешним условиям). На основе осознания и синтеза субъект формирует цели, стратегии и программы поведения, в соответствии с которыми вся поступившая информация оценивается с точки зрения полезности ее использования в интересах достижения этих целей.
Большое значение в процессе селекции информации имеет вероятностное прогнозирование, что позволяет субъекту строить гипотезы относительно будущих событий.
Процессы селекции информации могут протекать не только под контролем сознания, но и на бессознательном (непроизвольном, автоматизированном) уровне, под непосредственным влиянием доминирующих мотивов и в соответствии с индивидуальными особенностями переработки информации [128].
Еще одной обеспечивающей подсистемой является подсистема регистрации информации. Ее назначение состоит в том, чтобы обеспечивать широкий диапазон когнитивных (познавательных) функций - от
перцептивных процессов до решения задач, объединяемых тем, что все они предполагают использование накопленной информации. Эту подсистему иначе можно назвать память. Ее задачей является регистрация, организация, хранение сведений о мире в доступной для использования форме, что обеспечивает ее обладателю способность к отображению объективной реальности в субъективных образах, то есть в виде информации.
Этот аспект соответствует основной функции памяти - функции индивидуального тезауруса субъекта. Именно в этом аспекте память можно выделить как особую подсистему обеспечения информационных процессов, как информационный фонд СПИ.
Здесь лишь отметим, что работа этой подсистемы обычно описывается на основе трехкомпонентной модели памяти, предполагающей наличие у человека трех видов памяти: сенсорных регистров, кратковременного хранилища, долговременного хранилища [16].
К числу обеспечивающих подсистем условно можно отнести и интенции личности. Условность состоит в том, что эта подсистема обеспечивает информационные процессы не непосредственно, а опосредственно - через подсистему энергообеспечения (рис. 2.1).
Интенции представляют собой любую устремленность к активной деятельности; все явления и механизмы, побуждающие к деятельности, направляющие ее на достижение цели. В основе интенционального компонента деятельности человека лежит его потребностно-мотивационная сфера, т.е. потребности и мотивы. Эта сфера представляет собой иерархически построенную систему побуждений. Потребности и мотивы в этой системе находятся в различных отношениях между собой: синергичности (однонаправленности); антагонизма (конфликта), взаимоусиливают или ослабляют друг друга.
При этом мотивы не всегда осознаются человеком. Более того, высказываемые людьми мотивировки своих поступков не всегда соответствуют истинным побуждениям.
При изучении интенционального компонента деятельности человека применяется классификация внутренних факторов, побуждающих человека к активному
поведению, в основе которой лежит уровень конкретизации направленности этого поведения:
- а) состояние бодрствования - совокупность уровней неспецифической мотивации организма, психики, создающих стремление к любой деятельности;
- б) потребности, которые могут быть векторными и функциональными; первые являются наиболее дифференцированными по актуализируемому предмету деятельности (как вещественному, так и мысленному, идеальному) и способам удовлетворения потребностей;
- в) функциональные потребности - стремление к напряженной активности (преодоление препятствий), к определенному темпу выполнения действий, к смене видов деятельности (в том числе - к новизне впечатлений);
- г) мотивы - конкретные векторные потребности; при этом переход от векторной потребности к мотиву осуществляется под влиянием ситуации, т.е. совокупности внешних и внутренних сигналов, которые воздействуют на человека.
Механизмы интенции тесно связаны с социальной и волевой сферами человека. Интенциональные факторы являются не только побудительными компонентами целенаправленной деятельности, они действуют и в процессе деятельности, являясь регуляторами ее протекания [53].
В заключение необходимо отметить, что до сих пор система переработки информации человеком рассматривалась как одноканальная. Это удобно с методологической точки зрения, поскольку позволяет довольно наглядно показать последовательность этапов переработки информации. Однако такое положение дел не всегда соответствует действительности, что подтверждается предложенной А.А.
Крыловым концепцией включения [40, 81].
Концепция включения представляет методологические положения, объясняющие принципы организации целостной деятельности функциональных механизмов мозга, предназначенных для обработки поступающей информации. Концепция включения исходит из предположения (впоследствии доказанного экспериментально) о приспособленности информационной системы мозга принимать новые сигналы в процессе текущей деятельности. Новый сигнал может означать такие изменения во внешней среде, при которых ранее начатая
деятельность может быть бесполезной или далее вредной. Отсюда возникает необходимость немедленного прекращения осуществляющейся деятельности, а затем корректировки или полного отказа от ее продолжения в зависимости от конкретно сложившихся условий.
Кроме того, может возникнуть необходимость одновременной обработки информации, относящейся к уже начатой деятельности, и вновь поступивших сигналов.
Новая деятельность может органически включаться в предыдущую или протекать в известной мере изолированно. Следовательно, во всех случаях вновь поступившие сигналы так или иначе включаются в процесс обработки информации. Это включение может осуществляться либо путем преобразования действовавшей функциональной системы, либо образованием новой системы, предназначенной для информационных преобразований в новой деятельности.
В дальнейшем, в ходе тренировки, если аналогичные ситуации возникают многократно, принцип включения все более реализуется в плане преодоления устойчивости частных функциональных систем и образования единой функциональной системы текущей деятельности.
Таким образом, концепция включения объединяет принципы организации целостной деятельности функциональных информационных механизмов мозга и позволяет рассматривать механизм приема и переработки информации человеком как иерархическую многоканальную систему, в которой каждый новый сигнал, новое действие не блокируются на входе оператора, а ведут к гибкой перестройке информационного процесса в мозгу человека.
Воспроизведение информации в системе человек-машина
Информационные процессы, протекающие в нервной системе оператора, существуют не изолированно сами по себе, а органически вплетаются в общий информационный процесс в системе человек-машина. Процессы переработки информации происходят и в машинных звеньях системы, поэтому от степени
их согласованности с процессами переработки информации человеком во многом зависит эффективность всей системы. Интегральным понятием, характеризующим информационный процесс в системе в целом является воспроизведение информации [74]. Под ним понимается процесс формирования информационной модели (изображения) текущей обстановки, ее восприятия человеком и принятия решения по поводу соответствия построенной модели ее эталону (кодовому эквиваленту) .
Основная проблема воспроизведения информации состоит в том, чтобы найти оптимальное соотношение между требованиями, обусловленными необходимостью согласования характеристик информационной модели, с характеристиками управляемого процесса (объекта), оператора и решаемых задач.
В процессе воспроизведения информации решаются следующие задачи:
- прием сообщений, поступающих от источника сообщений по каналу связи;
- размещение информации в буферной памяти согласно адресам и ее хранение в течение требуемого времени;
- преобразование принятых кодов в соответствующие коды изображений (кодовые эквиваленты информационной модели);
- визуальное предъявление изображений (информационной модели) в течение требуемого времени;
- зрительное восприятие информации и принятие решения о соответствии информационной модели эталонной;
- формирование концептуальной модели (оперативного образца).
Для решения этих задач создается тракт воспроизведения информации, представляющий собой человеко-машинную систему, в которой задачи 1 и 2 являются чисто техническими; задачи 3 и 4 хотя и являются техническими, но должны решаться с учетом возможностей и ограничений оператора; задачи 5 и 6 решаются оператором.
Структурная схема тракта воспроизведения информации представлена на рис. 2.3. Пунктирными линиями на ней выделены средства отображения информации, на вход которых поступает входной ансамбль кодов Fвх (t), а с выхода снимается преобразованная информация
(комбинация выходных символов, образующих информационную модель) Fвх (t + Δt).
Особенностью информационной модели является то, что в ней изменяется физическая природа выходных сигналов по отношению к входным. При этом осуществляется промежуточное преобразование множества входных кодов Fвх (t) в некоторое множество кодов изображений Fпр (t + Δt1). Множество Fвх (t) составляет первичный кодовый эквивалент информационной модели, а множество преобразованных кодов Fвх (t + Δt1) - вторичный кодовый эквивалент информационной модели Fвых (t + Δt).
Множества Fвх (t), Fпр (t + Δt), Fвых (t + Δt) связаны между собой зависимостью функционального характера.
Fвх (t) → Fпр (t + Δt) → Fвых (t + Δt),
I [Fвых (t + Δt)] = I [Fпр (t + Δt1)] = I[Fвх (t)],(2.11) где Δt Δt1 - времена соответствующих преобразований, I - смысловое содержание информации, заключенное в выходных и входных сигналах.
В тракте воспроизведения информации (рис. 2.3) возможно появление ошибок (сбоев). Их источниками могут являться как технические звенья (при решении задач 1...4), так и оператор (при решении задач 5, 6).
При этом следует иметь ввиду, что ошибки оператора зависят не только от его психофизических качеств, но в определенной степени и от результатов решения задач 3 и 4 техническими элементами тракта воспроизведения информации. Ошибки оператора оказывают отрицательное влияние на процесс воспроизведения информации, что может привести к неадекватному формированию оперативного образа.
Эти ошибки можно сократить путем повышения квалификации оператора за счет профессионального отбора и обучения и совершенствования технических средств тракта воспроизведения информации путем учета инженерно-психологических требований при их проектировании и изготовлении.
На последнем аспекте требуется остановиться особо. Дело в том, что при создании средств отображения информации (СОИ) обычно учитываются инженерно-психологические требования только к информационной
модели, отображаемой с помощью лицевых частей СОИ. Однако только этого не достаточно для обеспечения надежной работы оператора и всего тракта воспроизведения информации. Качество информационной модели зависит также (при решении задач 3 и 4) и от выполнения инженерно-психологических требований к техническим элементам СОИ, обеспечивающих решение этих задач.
Это объясняется тем, что на вход СОИ поступают данные в машинном коде (кодовые эквиваленты), а с выхода снимаются символы зрительного алфавита.
При этом сигналы на входе СОИ определяются методом их кодирования, а на выходе - методом их формирования. Автономное использование этих методов позволяет производить только одностороннюю оценку СОИ как преобразователя машинного алфавита в зрительный.
Из этого возникает естественная необходимость совместного изучения и исследования методов кодирования применительно к соответствующим им методам формирования отображаемых данных и, наоборот, методов формирования элементов отображения к соответствующим методам их кодирования. Органическое сочетание этих двух методов (а они составляют суть решения задач 3 и 4) удобно назвать принципом преобразования машинного алфавита в зрительный [30].
Эти принципы делятся на два основных вида: непосредственное и с промежуточным преобразованием кодовых эквивалентов, адекватных отдельным элементам информационной модели, подлежащим отображению.
Иными словами, при создании технических средств, обеспечивающих преобразование машинного алфавита в зрительный, необходимо учитывать чисто технические требования (емкость запоминающих устройств, их количество, частоту выборки кодовых эквивалентов и т.д.) и требования, вытекающие из характеристик информационной модели (количество элементов отображения, требуемая частота воспроизведения данных, информационная емкость изображения и др.). Для учета степени реализации этих требований введено понятие коэффициента преобразования машинного алфавита в зрительный, получены формулы для его определения при различных методах преобразования, проведена
сравнительная оценка этих методов при различных исходных данных, что позволяет в каждом конкретном случае выбрать наиболее эффективный метод преобразования [30]. Только при применении такого комплексного подхода, основанного на одновременном учете чисто технических и инженерно-психологических требований, возможно достижение качественного воспроизведения информации в СЧМ.
Качество воспроизведения информации оценивается с помощью ряда показателей, основными из которых являются: быстродействие, информационная емкость, изобразительная возможность, точность, достоверность и надежность воспроизведения информации [74].
Быстродействие тракта воспроизведения информации характеризуется временем полного цикла Тц. Это есть минимальное время между последовательными моментами смены информации на информационной модели, равное
Тц = tфс + tвэ + tоп,(2.12) где tфс - время формирования сообщения, т.е. интервал времени, в течение которого в источнике сообщений (например, ЭВМ) подготавливается к передаче в СОИ требуемый массив информации (первичный кодовый эквивалент Fвх); tвэ - время выдачи отображаемой информации на экран; toп - время восприятия информации оператором, т.е. интервал времени, в течение которого он осознал смысл предъявляемой информации и делает заключение о степени соответствия воспринятого изображения эталонному.
Быстродействие может быть также охарактеризовано скоростью смены информации, которая равна
V =
| I (A) |
| Tц |
Частным случаем формулы (2.13) является такой, когда ее числитель и знаменатель относятся к отрезку времени, обратному критической частоте слияния мельканий [30].
Информационная емкость тракта воспроизведения характеризует максимальное количество информации,
которое может быть отображено на информационной модели. Значение информационной емкости зависит от структуры информационного поля, количества позиций в нем и числа символов в алфавите, закрепленном за позицией. Если в СОИ для любой из позиций информационного поля используются алфавиты с одинаковым числом символов, то информационная емкость равна
Iи = n log2 m,(2.14) где т - количество позиций, которые могут занимать элементы отображения в пределах информационного поля; m - число состояний, в которых может находиться каждый элемент.
Если же в СОИ информационные поля используют алфавиты с различным числом символов, закрепленных за определенными группами позиций, то информационная емкость равна
Iи =
| M |
| ∑i =1 |
Информационная емкость определяет максимальные информационные возможности СОИ. Реальное же количество отображаемой информации обычно меньше информационной емкости.
Равенство возможно лишь в том случае, если для каждой позиции информационного поля равновероятно появление любого из символов алфавита, относящегося к ней. Если появление символов алфавита длиной m равновероятно для любой из n позиций, то количество отображаемой информации равно
I = - n
| m |
| ∑ |
| j = 1 |
В случае, когда алфавиты различны для разных групп позиций, то предыдущее соотношение принимает вид
I = -
| M |
| ∑ |
| i = 1 |
| mi |
| ∑ |
| j = 1 |
Изобразительная возможность тракта характеризуется набором воспроизводимых символов и операций над ними на экране СОИ. Оптимальный набор символов составляет информационную модель для данного класса решаемых задач.
Символы набора должны удовлетворять легкости запоминания, скорости и безошибочности опознания. Это во многом зависит от степени различия отдельных символов алфавита. Мерой оценки степени различимости двух символов является коэффициент декорреляции
ρ =
| n02 |
| n1 · n2 |
Интегральная оценка всего алфавита определяется соотношением
ρ∑ =
| 1 |
| N (N - 1) |
| N |
| ∑ |
| i = 1 |
| N - 1 |
| ∑ |
| j = 1 |
| nij2 |
| ni · nj |
Изобразительные возможности во многом зависят также от сложности обобщенной фигуры знакоместа. Они характеризуются величиной δ
δ = 1 -
| 1 |
| nф |
На рис. 2.4 показаны зависимости значений ρ∑ и δ от величины nф для цифро-буквенных изображений
с кусочно-линейной аппроксимацией. Примеры возможных структур знакомест для этих изображений приведены на рис. 2.5. Из рис.
2.4 следует, что изобразительная возможность существенно улучшится при увеличении nф до 8 - 9 элементов, при дальнейшем увеличении nф величины ρ∑ и δ изменяются незначительно, а при nф 20 они практически не зависят от nф. Изобразительные возможности существенно улучшаются, если имеются возможности стирания, изменения, дополнения отдельных знаков, возможность изменять масштаб, ориентацию, обозначать линии, заштриховывать отдельные части символов, если имеется возможность использования различных цветов и полутонов [73].
Достоверность формирования изображений есть степень соответствия сформированного изображения эталонному, т.е. сформированному в соответствии с первичным кодовым эквивалентом. Количественно она может быть определена через вероятность безошибочного формирования изображения Рф при отсутствии наложения изображений.
В более сложных случаях необходимо учитывать и возможность появления наложений. В ряде случаев для оценки достоверности формирования изображений можно использовать формулы (2.8)...(2.10).
Точность воспроизведения информации характеризуется смещением информации при ее отображении относительно системы координат. Различают абсолютную и относительную точность воспроизведения информации.
Абсолютная точность принимается во внимание при анализе измерений на воспроизводимом изображении с экрана. Относительная точность принимается во внимание при анализе общего изображения с помощью экранов (точность наложения или совмещения).
Особо высокие требования предъявляются к точности устройств индивидуального пользования, используемых для количественной оценки информации, точных расчетов, точных графических построений и т.д. Так как точность воспроизведения в значительной степени зависит от оператора, то требования к точности СОИ, должны согласовываться с конкретными задачами, решаемыми системой, и возможностями oпeратора.
При этом суммарная ошибка воспроизведения информации определяется как
σ∑ = √σоп2 + σсои2,(2.21) где σоп и σсои - соответственно среднеквадратические ошибки восприятия информации оператором и отображения информации.
Надежность воспроизведения информации характеризует способность тракта воспроизведения выполнять в полном объеме возложенные на него функции при заданных условиях работы. В процессе функционирования тракта воспроизведения информации отказ может производиться как по вине человека-оператора, так и по причине выхода из строя технических средств.
В случае последовательного соединения элементов (например, как показано на рис. 2.3) вероятность безотказной работы тракта равна произведению вероятностей безотказной работы каждого элемента
Pтр(t) = P1(t) · P2(t)...Pn(t) · Pоп(t).(2.22) Формула (2.22) показывает лишь принцип определения надежности системы, включающей в себя n последовательно соединенных технических звеньев и человека.
