Особенности и классификация СЧМ

Под системой в общей теории систем (системоло-гии) понимается комплекс взаимосвязанных и взаимодействующих между собой элементов, предназначенный для решения единой задачи [213]. Системы могут быть классифицированы по различным признакам.

Одним из них является степень участия человека в работе системы. С этой точки зрения различают автоматические, автоматизированные и неавтоматические системы. Работа автоматической системы осуществляется без участия человека.

В неавтоматической системе работа выполняется человеком без применения технических устройств. В работе автоматизированной системы принимает участие как человек, так и технические устройства.

Следовательно, такая система представляет собой систему человек-машина.
На практике применяются самые разнообразные виды систем человек-машина. Основой их классификации могут явиться следующие четыре группы признаков: целевое назначение системы, характеристики человеческого звена, тип и структура машинного звена, тип взаимодействия компонентов системы [60]. Эта классификация приведена на рис.

3.1.
Целевое назначение системы оказывает определяющее влияние на многие ее характеристики и поэтому является исходным признаком. По целевому назначению можно выделить следующие классы систем:

управляющие, в которых основной задачей человека является управление машиной (или комплексом);

обслуживающие, в которых человек контролирует состояние машинной системы, ищет неисправности, производит наладку, настройку, ремонт и т.п.;
обучающие, т.е. вырабатывающие у человека определенные навыки (технические средства обучения, тренажеры ит.п.);
информационные, обеспечивающие поиск, накопление или получение необходимой для человека информации (радиолокационные, телевизионные, документальные системы, системы радио- и проводной связи и др.);
исследовательские, используемые при анализе тех или иных явлений, поиске новой информации, новых заданий (моделирующие установки, макеты, научно-исследовательские приборы и установки).

Особенность управляющих и обслуживающих систем заключается в том, что объектом целенаправленных воздействий в них является машинный компонент системы. В обучающих и информационных СЧМ направление воздействий противоположное - на человек.

В исследовательских системах воздействие имеет и ту, и другую направленность.
По признаку характеристики человеческого звена можно выделить два класса СЧМ:

моносистемы, в состав которых входит один человек и одно или несколько технических устройств;

полисистемы, в состав которых входит некоторый коллектив людей и взаимодействующие с ним одно или комплекс технических устройств.

Полисистемы в свою очередь можно подразделить на паритетные и иерархические (многоуровневые). В первом случае в процессе взаимодействия людей с машинными компонентами не устанавливается какая-либо подчиненность и приоритетность отдельных членов коллектива.

Примерами таких полисистем может служить система коллектив людей - устройства жизнеобеспечения (например, система жизнеобеспечения на космическом корабле или подводной лодке). Другим примером может быть система отображения информации с большим экраном, предназначенная для использования коллективом операторов.
В отличие от этого в иерархических СЧМ устанавливается или организационная, или приоритетная иерархия взаимодействия людей с техническими устройствами. Так, в системе управления воздушным движением диспетчер аэропорта образует верхний уровень управления. Следующий уровень - это командиры воздушных судов, действиями которых руководит диспетчер.

Третий уровень - остальные члены экипажа, работающие под руководством командира корабля.
По типу и структуре машинного компонента можно выделить инструментальные СЧМ, в состав которых в качестве технических устройств входят инструменты и приборы. Отличительной особенностью этих систем, как правило, является требование высокой точности выполняемых человеком операций.
Другим типом СЧМ являются простейшие человеко-машинные системы, которые включают стационарное и нестационарное техническое устройство (различного рода преобразователи энергии) и человека, использующего это устройство. Здесь требования к человеку существенно различаются в зависимости от типа устройства, его целевого назначения и условий применения.

Однако их основной особенностью является сравнительная простота функций человека.
Следующим важным типом СЧМ являются сложные человеко-машинные системы, включающие помимо использующего их человека некоторую совокупность технологически связанных, но различных по
своему функциональному назначению аппаратов, устройств и машин, предназначенных для производства определенного продукта (энергетическая установка, прокатный стан, автоматическая поточная линия, вычислительный комплекс и т.п.). В этих системах, как правило, связанность технологического процесса обеспечивается локальными системами автоматического управления.

В задачу человека входит общий контроль за ходом технологического процесса, изменение режимов работы, оптимизация отдельных процессов, настройка, пуск и остановка.
Еще более сложным типом СЧМ являются системотехнические комплексы. Они представляют собой сложную техническую систему с не полностью детерминированными связями и коллектив людей, участвующих в ее использовании. Для систем такого типа характерным является взаимодействие не только по цепи человек-машина, но и по цепи человек-человек-машина. Другими словами, в процессе своей деятельности человек взаимодействует не только с техническими устройствами, но и с другими людьми.

При всей сложности системотехнических комплексов их в большинстве случаев можно представить в виде иерархии более простых человеко-машинных систем. Типичными примерами системотехнических комплексов различного уровня и назначения могут служить судно, воздушный лайнер, промышленное предприятие, вычислительный центр, транспортная система и т.п.
В основу классификации СЧМ по типу взаимодействия человека и машины может быть положена степень непрерывности этого взаимодействия. По этому признаку различают системы непрерывного (например, система водитель - автомобиль) и эпизодического взаимодействия. Последние, в свою очередь, делятся на системы регулярного и стохастического взаимодействия. Примером системы регулярного взаимодействия может служить система оператор - ЭВМ.

В ней ввод информации и получение результатов определяются характером решаемых задач, т.е. режимы взаимодействия во времени регламентируются характером и объемом вычислений. Стохастическое эпизодическое взаимодействие имеет место в таких системах,
как оператор - система централизованного контроля, наладчик - станок и т.п.
Рассмотренная классификация СЧМ не является единственно возможной. Примеры иных подходов к решению этой задачи приводятся в специальной литературе [18, 26, 35, 38, 53, 137, 162].
Однако несмотря на большое разнообразие систем человек - машина, они имеют целый ряд общих черт и особенностей. Эти системы являются, как правило, динамическими, целеустремленными, самоорганизующимися, адаптивными.
Системы человек - машина относятся к классу сложных динамических систем, т.е. систем, состоящих из взаимосвязанных и взаимодействующих элементов различной природы и характеризующихся изменением во времени состава структуры и (или) взаимосвязей. Из этого следуют характерные особенности, присущие СЧМ как сложной динамической системе:

разветвленность структуры (или связей) между элементами (человеком и машиной);
разнообразие природы элементов (в состав СЧМ могут входить человек, коллектив людей, автоматы, машины, комплексы машин и т.д.);
перестраиваемость структуры и связей между элементами (например, при нормальном ходе технологического процесса оператор лишь следит за ходом его протекания, т.е. включен в контур управления как бы параллельно; при отклонении от нормы оператор берет управление на себя, т.е. включается в контур управления последовательно);
автономность элементов, т.е. способность их автономно выполнять часть своих задач.

Системы человек - машина относятся также к классу целеустремленных систем. В общем случае считается, что система действует целеустремленно, если она продолжает преследовать одну и ту же цель, изменяя свое поведение при изменении внешних условий [213]. Существенной особенностью целеустремленных систем является их способность получать одинаковые результаты различными способами.

Системы этого класса могут изменять свои задачи; они выбирают как сами задачи, так и средства их реализации. Целеустремленность СЧМ обусловлена тем, что в нее включен
человек. Именно он ставит цели, определяет задачи и выбирает средства достижения цели.
Системы человек - машина можно рассматривать и как адаптивные системы. Свойство адаптации заключается в приспособлении СЧМ к изменяющимся условиям работы, в изменении режима функционирования в соответствии с новыми условиями.

Для повышения эффективности СЧМ необходимо предусмотреть возможность адаптации как внутри самой системы, так и по отношению к внешней среде. До недавнего времени свойство адаптации СЧМ реализовалось благодаря приспособительным возможностям человека, гибкости и пластичности его поведения, возможности его изменения в зависимости от конкретной обстановки. В настоящее время, на повестку дня ставится вопрос о создании СЧМ, в которых свойство адаптации реализуется путем соответствующего технического обеспечения.

Речь идет о создании таких технических средств, которые могут изменять свои параметры и условия деятельности в зависимости от текущего конкретного психофизиологического состояния человека и показателей эффективности его деятельности. Попытки решения этой задачи привели к появлению понятия взаимной адаптации человека и машины в системах управления, или иначе - созданию систем адаптивного информационного взаимодействия в СЧМ.

Эта задача решается в рамках структурно-психологической концепции анализа и проектирования СЧМ [17, 18]. Одним из конкретных способов реализации такого подхода является профилактическое обслуживание СЧМ [102, 214].
Системы человек-машина относятся также к числу адекватных (от лат. adaequatus - приравненный, равный) систем. Под адекватностью понимается совокупность свойств системы, характеризующих ее приспособленность к выполнению данной задачи. Применительно к техническим звеньям адекватность определяется:

правильной организацией СЧМ (наличие в структуре системы необходимого оборудования, программных средств, каналов связи, обученного персонала и т.д.);
хорошими физическими характеристиками техники (механическими, энергетическими и т.п.);

средствами активации функционирования (устройства приведения в готовность, переключения работы с одного режима на другой и т.п.);
нормальными процессами (материально-техническое, метрологическое и др. виды обеспечения).

Применительно к человеку информационная адекватность определяется свойствами концептуальной модели. В основе этого вида адекватности лежат функциональная организация и свойства анализаторов, центральной нервной системы, психофизиологические законы преобразования информации человеком в процессе деятельности.

Физическая адекватность характеризует антропологическое и силовое соответствие человека решаемым задачам. Активационная адекватность определяется мотивами, установками, потребностями, заинтересованностью человека в выполнении данного вида деятельности, характером эмоциональных реакций, свойствами внимания.

Базовая адекватность определяется функционированием вегетативных систем (сердечно-сосудистой, дыхательной и др.), особенностями биохимических процессов и психическими состояниями. Разумеется, указанные четыре группы свойств не являются независимыми.
Активационная, физическая и базовая адекватность определяют в целом работоспособность человека. В такой трактовке данное понятие характеризует возможности человека реализовать имеющийся у него в виде концептуальной модели внутренний инструмент и в виде эффекторов - внешний инструмент выполнения определенного вида трудовой деятельности [15].
И наконец, системы человек - машина можно отнести к классу самоорганизующихся систем, т.е. систем, способных к уменьшению энтропии (неопределенности) после вывода их из устойчивого, равновесного состояния под действием различного рода возмущений. Это свойство становится возможным благодаря целенаправленной деятельности человека, способности его планировать свои действия, принимать правильные решения и реализовывать их в соответствии с возникшими обстоятельствами.

Способность к адаптации и самоорганизации обусловливает такое важное свойство систем человек - машина, каким является их живучесть.
Из всего сказанного видно, что рассмотренные особенности СЧМ определяются наличием в их составе человека, его возможностью правильно решать возникающие задачи в зависимости от конкретных условий и обстановки. Это лишний раз показывает, что исходным пунктом анализа и описания СЧМ должна быть целесообразная деятельность человека.
Важными понятиями, используемыми при анализе и исследовании системы человек-машина являются функционирование, цель и оптимизация СЧМ. Функционирование СЧМ - процесс достижения поставленных перед СЧМ целей, состоящий из упорядоченной совокупности операций, выполняемых как человеком, так и техническими устройствами.

Цель функционирования задается (формируется) человеком (оператором, конструктором, организатором производства и др.) и является системообразующим фактором, благодаря которому реализуется принцип обратной связи, которая позволяет корректировать промежуточные результаты и направлять функционирование СЧМ на достижение этой цели [35, 137].
Часть процесса функционирования, выделяемая в интересах описания, оценки, проектирования эксплуатации или исследования СЧМ по некоторым признакам, наиболее важным для решения задачи, называется функцией СЧМ. Она включает в себя функции оператора и функции технической части СЧМ.

По общей роли в процессе функционирования СЧМ функции могут быть основными или обеспечивающими. Основные функции непосредственно обеспечивают достижение цели СЧМ, их невыполнение ведет к недостижению цели. Обеспечивающие функции обеспечивают условия выполнения основных функций и, следовательно, процесс функционирования СЧМ в целом, т.е. это такие функции, необходимость выполнения которых диктуется не способом достижения цели, а необходимостью поддержания работоспособного состояния элементов СЧМ.

Совокупность функций, являющихся частью функционирования СЧМ, выполняемых фиксированным неизменным составом элементов СЧМ и используемых в данной части процесса функционирования СЧМ, называется режимом функционирования. Режим функционирования является рабочим, если поставлена цель
получения продукта труда, для которого создана СЧМ. Режим функционирования СЧМ является вспомогательным, если поставлена цель изменения состояния.

К их числу относятся, например, режим хранения, подготовки, готовности к применению, восстановления работоспособности, технического обслуживания, консервации, ремонта, транспортировки и др.
Цель СЧМ в общем случае представляет модель необходимого будущего кибернетической системы, являющаяся той формой отражения действительности, которая объединяет прошлое, настоящее и будущее. Для СЧМ помимо этого можно определить и цель второго уровня (по отношению к модели необходимого будущего состояния) как модель необходимого будущего поведения системы и цель третьего уровня как модель настоящего поведения СЧМ. Все три модели (цели) состояния и поведения СЧМ на практике могут быть закреплены в структурной организации технической части системы в виде:

конечного состояния технической части СЧМ (соответствующего цели первого уровня);
динамического состояния технической части СЧМ (соответствующего цели второго уровня);
фактического стереотипа поведения технической части системы (соответствующего цели третьего уровня).

Эти три вида состояний образуют естественную иерархию целей первого, второго и третьего уровней. В зависимости от сложности системы число уровней целей может быть значительно большим, чем в данном простейшем случае.
Сложная СЧМ состоит из множества подсистем, каждая из которых имеет свою иерархию целей в виде моделей конечного, динамического состояний и стереотипа поведения технических и человеческих подсистем. Поэтому в СЧМ при конкретном ее функционировании цели закреплены в технической части структуры всей системы.

Отсюда следует, что для системы в целом целостность ее структуры означает и целостность системы ее целей всех уровней для всех ее подсистем (как фактических, так и потенциальных).
Поскольку при таком подходе для каждой из подсистем различается три уровня целей, то и целостность подсистем по таким целям целесообразно рассматривать
состоящей из трех форм целостности, сопоставленных каждому из понятия цели [131].
Достижение поставленной перед СЧМ цели тесно связано с ее оптимизацией. Под ней в наиболее общем виде понимается определение совокупности частных показателей, при которых достигается экстремум некоторой целевой функции, характеризующей эффективность СЧМ. С математической точки зрения оптимизация может быть условной, когда на искомые показатели накладываются некоторые ограничения, либо безусловной, когда этих ограничений нет. В первом случае ищется условный экстремум, во втором - безусловный.

Кроме того, оптимизация может вестись по одному показателю или нескольким показателям одновременно, в последнем случае речь идет о многопараметрической (векторной) оптимизации. Поскольку СЧМ является сложным динамическим объектом, работа которого обычно протекает в рамках определенных ограничений, а качество функционирования зависит от большого числа факторов, то для нее наиболее характерным является случай многопараметрической условной оптимизации.

В математическом плане такая задача является наиболее сложной.
С формальной точки зрения задача оптимизации СЧМ формируется следующим образом. Есть некоторая целевая функция
Э = f (x₁, x₂...x_n; y₁, у₂...у_m; z₁, z₂...z_k),
где x_i (i = 1,n), y_j (j = 1,m), z_λ (λ = 1,k) - частные показатели деятельности оператора, работы машины и условий внешней среды. Требуется определить значения этих показателей, при которых функция Э достигает максимума.

При этом на их значения накладываются некоторые ограничения x_i ∈ х_i _доп, y_j ∈ у_j _доп, z_k ∈ z_k _доп, где х_i _доп, y_{j доп}, z_{k доп} - области допустимых значений соответствующих показателей. В общем случае решение рассмотренной задачи оптимизации СЧМ представляет определенные трудности, поэтому обычно стараются провести возможные упрощения (сокращение числа искомых показателей, сокращение числа ограничивающих условий и др.). В зависимости от возможной степени упрощения для решения задачи оптимизации
СЧМ могут использоваться методы математического программирования, наискорейшего спуска, множителей Лагранжа и др.
Необходимо отметить, что термин оптимизация используется в инженерной психологии довольно часто. Например, говорят об оптимизации деятельности оператора, оптимизации рабочего места, оптимизации труда и т.д.

Однако в большинстве случаев этот термин употребляется не в строгом смысле, а речь идет лишь о некотором улучшении того или иного параметра.
Выше были рассмотрены основные вопросы системного подхода к изучению главного звена СЧМ - человека. На основании этого можно в общих чертах охарактеризовать некоторые важнейшие принципы системного подхода к изучению СЧМ.

Суть их сводится к следующему [60].

Возможно более полное и точное определение назначения системы, ее целей и задач. Это требует, в свою очередь, анализа состава и значимости отдельных целей, подцелей и задач; определения возможности их осуществимости и требуемых для этого средств и ресурсов; определения показателей эффективности и целевой функции СЧМ.
Исследование структуры системы, и прежде всего состава входящих в нее компонентов, характера межкомпонентных связей и связей системы с внешней средой, пространственно-временной организации компонентов системы и их связей, границ системы, ее изменчивости и особенностей на различных стадиях существования (жизненного цикла).
Последовательное изучение характера функционирования системы, в том числе: всей системы в целом, отдельных подсистем в пределах целого, изменчивости функций и их особенностей на разных стадиях существования системы.
Рассмотрение системы в динамике, в развитии, т.е. на различных этапах ее жизненного цикла: при проектировании, производстве и эксплуатации.

На последнем из этих принципов следует остановиться особо. В ряде случаев рамки инженерной психологии
неправомерно суживают, отводя ей лишь роль проектировочной дисциплины. Как отмечалось выше, проектировочная сущность инженерной психологии приобретает в настоящее время решающее значение. Однако только ею не ограничивается проблематика инженерной психологии.

Для того чтобы были реализованы все потенциальные возможности систем человек-машина, необходим также правильный учет инженерно-психологических требований в процессе их производства и эксплуатации. Это приводит к необходимости создания единой системы инженерно-психологического обеспечения систем человек - машина на всех этапах их жизненного цикла.
Под инженерно-психологическим обеспечением понимается весь комплекс мероприятий, связанных с организацией учета человеческого фактора в процессе проектирования, производства и эксплуатации СЧМ. Проблема инженерно-психологического обеспечения имеет два основных аспекта: целевой и организационно-методический (табл.

3.1).
Таблица 3.1
Содержание инженерно-психологического
обеспечения СЧМ

Этап жизненного цикла	Аспект инженерно-психологического обеспечения
целевой	организационно-методический
Проектирование	Определение функций человека в проектируемой СЧМ и оценка его психофизиологических возможностей по их выполнению (инженерно-психологическое проектирование)	Разработка нормативных и справочно-методических материалов по инженерно-психологическому проектированию деятельности оператора. Организация труда коллектива проектировщиков
Производство	Учет психофизиологических свойств человека в процессе производства (условия труда, режимы труда и отдыха, взаимосвязи операторов в групповой деятельности и т.п.)	Разработка нормативных и справочно-методических материалов по учету человеческого фактора в процессе производства

Эксплуатация

Учет психофизиологических возможностей человека при эксплуатации техники (профессиональный отбор, обучение, тренировки, формирование операторских коллективов, организация их труда)

Разработка методик по профессиональному отбору (если это необходимо) и подготовке операторов, подбору коллективов, организации труда. Разработка нормативных документов, регламентирующих применение этих методик

Первый из них связан с непосредственным выполнением работ по учету человеческого фактора на каждом из этапов жизненного цикла СЧМ; его содержание целиком и полностью определяется проблематикой инженерной психологии. Второй аспект связан с организационно-методическим обеспечением работ по учету человеческого фактора. Он включает в себя разработку необходимых справочно-методических материалов, с помощью которых можно выполнять эти работы, а также разработку нормативных документов, регламентирующих (в частности, утверждающих) степень и полноту учета человеческого фактора при проектировании, производстве и эксплуатации СЧМ.

При отсутствии таких документов проведение работ по учету человеческого фактора не будет являться обязательным мероприятием, и поэтому задача инженерно-психологического обеспечения не может считаться полностью решенной.

Содержание раздела