4.5. 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 на основе так называемого системно-лингвистического подхода – предложена А. Г. Чачко. 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, 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. Конкретные решения получаются в результате ряда преобразований – трансформаций от глубинной структуры к поверхностным продукциям.

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

Этап оценки опасности отклонения основан на правилах, выявляющих резервное время и последствия его превышения (математический формализм – передаточные функции объекта – управление). 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.

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. Привлекая соответствующие алгоритмы, изменяют состояние объекта, что приводит к новым настройкам семантической сети, т. е. цикл завершается.

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 по 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) по 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 необходи-мости поиска методик исследования и организации многокомпонентных СОИ. К настоящему времени уже предложено несколько методик. В той или иной мере все они основаны на идее упорядочивания элементов на панели.

Одна из таких методик известна под названием “Анализ звеньев”. Основная цель ее – наиболее эффективное 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 (орган – средство осуществления той или иной функции) 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 (мнемоника – совокупность приемов и способов, облегчающих запоминание и увеличивающих объем памяти путем образования искусственных ассоциаций) 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.

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 (моносенсорная информационная модель – это модель, сигналы которой адресуются зрительному анализатору) или бисенсорными (бисенсорная модель – это модель, сигналы которой адресуются 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 тип 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. Джонс и Р. У. Аллен с целью разработки теории СОИ применяли математические модели деятельности в режиме слежения, построенные на основе известной модели Мак Руера и Крепдела. 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 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.

К сожалению, в большинстве приведенных работ, связанных с формализацией инженерно-психологического синтеза многокомпонентных СОИ, не приводятся данные об его эффективности. Это свидетельствует о том, что применяемые аналитические методы пока недостаточно тщательно проработаны и не обладают требуемой строгостью.

В процессе проектирования многокомпонентных систем и средств отображения информации для АСУ ТП обычно возникает необходимость выбрать наилучший проект. Однако практически исключается возможность сделать такой выбор на основе экспертных оценок. Традиционный в инженерной психологии метод поэлементной оценки СОИ также не дает полной характеристики преимуществ того или иного варианта информационной системы в целом. В настоящее время наиболее эффективен метод экспериментальной оценки вариантов многокомпонентного СОИ, при организации которой должны учитываться назначение СОИ, функции операторов, специфика решаемых ими оперативных задач, контингент использующих СОИ операторов (в частности, уровень их подготовки), внешние (гигиенические) условия деятельности, динамические и другие эксплуатационные свойства управляемых объектов.

Анализ актуальных проблем психологии труда и инженерной психологии, рассмотрение методов их решения свидетельствует о том, что эти дисциплины в настоящее время выдвинулись на передний план при проектировании, разработке и эксплуатации современной техники. Учет достижений психологии труда и инженерной психологии необходим для создания эффективных средств комплексной механизации и автоматизации производственных процессов, развития автоматизированных систем управления, широкого внедрения ЭВМ во все отрасли народного хозяйства, применения передовой технологии. Пути и способы решения конкретных задач, изложенные в данном пособии, должны стать составной частью арсенала средств, которыми нужно овладеть квалифицированному специалисту – инженерному психологу и психологу труда.