Студопедия Главная Случайная страница Обратная связь

Разделы: Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

Глава 6. logy and Section 1 — Plant analysis




logy and Section 1 — Plant analysis. New York: Power Authority of the State oi New York and Consolidated Edison Company of New York. Inc.. 46. Fickard, Lowe and Garrick, Inc. (1983, December) Seabrook Station Probabilistic Safety Assessment (PLG-0300) Newport Beach, CA.

47 Hannaman (i. W., Spurgin A. J. (1983. December) Systematic human action reliability procedure (SHARP) (Report No. NUS-4486) San Diego, CA: NUS Corporation

48 Carison D. D., Gallup D. R.. Kolaczkowski A. M.. Kolb D. J., Stack D. W., Loigren E„ Horton YV. H., Lobner P. R. (1983, January) Interim reliability evaluation program procedures guide (Sandia National Laboratories, NUREU/CR-2728) Washington. DC: U.S. Nuclear Regulatory Commission.

4;> NUKECi/CR-2300 (1983, January) PRA procedures guide. Vols. 1 and 2, American Nuclear Society/Institute for Electrical and Electronic Engineers. Washington, DC: U.S. Nuclear Regulatory Commission. .0. Ben ti, J., Swain A. D. (1983, May) A procedure for conducting a human reliability analysis for nuclear power plants (Sandia National Laboratories, NUREG/CR-2254) Washington, DC: U.S. Nuclear Regulatory Commission.

51, beare A. N.. Dorris R. E., Bovell С R., Crowe D. S.. Kozinsky Ey'J. (1984) A simulator-based study of human errors in nuclear power plant control room tasks (General Physics Corporation and Sandia National Laboratories, NUREG/CR-ЗЗОУ) Washington, DC: U.S. Nuclear Regulatory Commission.

b'l Blanchard R. E. (1975) human performance and personnel resource data store design guidelines. Human Factors, 17(1), 25—34.

5.i. Miller D P. (1982) Human performance data bank. In R. E. Hall, J. E. Fra-gola, W. J. Luckas, Jr., eds, Conference record of the 1981 IEEE standards workshop in human factors and nuclear safety. August 30 September 4, 1981, Myrtle Beach, SC. New York: Institute of Electrical and Electronic Engineers, Inc.

54 Irwin I. A., Levitz J. J., Freed A. M. (1964) Human reliability in the performance of maintenance (Report No. LRP 317/TDR-63-218) Sacramento, CA: Aerojet General Corp.

55 Topmiller D. A., Eckel J. S., Kozinsky E. J. (1982, December) Human reliability data bank for nuclear power plant operations, Vol. 1: A review of existing human reliability data banks (General Physics Corporation and Sandia National Laboratories, NUREG/CR-2744) Washington, DC: U.S. Nuclear Regulatory Commission.

56. Blanchard R. E., Mitchell M. В., Smith R. L. (1966, June) Likelihood of accomplishment scale for a sample of man-machine activities. Santa Monica, CA: Dunlap and Associates.

57. Osga G. A. (1981, March) Guidelines for development, use and validation of human performance data bank for NTDS combat operations (Systems Exploration, Inc., Naval Ocean Systems Center, Contract No. NOV-00123-80-D0263) San Diego, DA: OSGA.

58. U.S. Air Force (197!, December) Life sciences accident and incident classification elements and factors (AFISC Operating Instruction AFISCM 127-6).

59. Federal Aviation Administration (1979, June 15) Aviation safety reporting program (FAA Advisory Circular 00-46B) Washington, DC.

60. Southwest Research Institute (1980, December) Reportinq procedures manual for the nuclear plant reliability data system San Antonio. TX: Southwest Research Institute.

Gl Bark D, В., Kolinsky E. J., Eckel J. S (1982. May). Nuclear power plant control room task analysis: Pilot study for pressurized water reactors (General Physics Corporation and the Oak Ridge \'ational Laboratories, M JREG/<".R-DR9S) Washington, DC: US Nuclear Regulatory Commission.

62 Milkr D P.. Cjiijfr К (1985) Process evaluation of the human reliability riijip Ыпк Pfccrfdinm, of ih,- Twelfth Water Reactor Safety Research Infor-

Ошибки человека и его надежность

motion Meeting (NUREG/CP-0048). Vol. 6. Washington, DC: U.S. Nuclear Regulatory Commission.

63. Comer M. K., Seaver D. A., Stiliwell W. G.. Gaddy С D. (1984) Generating human reliability estimates using expert judgment: Paired comparisons and direct numerical estimation (Vol. I, Main Report, Vol. 2, Appendices, NUREG/CR-3688). Washington, DC: U.S. Nuclear Regulatory Commission.

64. Coiner M. K.., Donovan M. D., Gaddy С D. (1985) Human reliability data bank: Evaluation results (General Physics Corporation and Sandia National Laboratories, NUREG/CR-4009) Washington, DC: U.S. Nuclear Regulatory Commission.

65. Woodson W. E. (1981) Human factors design handbook. New York: McGraw-Hill.

66. Van Cott H. P., Kinkade R. G., eds (1972) Human engineering guide to equipment design, rev. ed Washington. DC: U.S. Nuclear Regulatory Commission.

67. M1L-STD-1472C (1981, May) Military Standard, Human engineering design criteria for military systems, equipment and facilities. Washington, DC: U.S. Department of Defense.

68. Chaney F. B. (1969) Employee participation in manufacturing job design, Human Factors, /7(2), 101 —106.

69. Mills R. G., Hatfield S. A. (1974) Sequential task performance: Task module relationships, reliabilities and times/ Human Factors, 16(2). 117—128.

70. Juran J. M. (1967). The QC circle phenomenon. Industrial Quality Control, 23, 329—336.

71. Seaver D. A., Stiliwell W. G. (1983, March) Procedures for using expert judgment to estimate human error probabilities in nuclear power plant operations (Decision Science Consortium and Sandia National Laboratories, NUREG/CR-2743). Washington, DC: U.S. Nuclear Regulatory Commission.

Глава 9

РУЧНОЕ УПРАВЛЕНИЕ И СЛЕЖЕНИЕ

Дж. Найт, м.л.Х)

9.1, Введение

Принято рассматривать ручное управление и слежение как фундаментальную область человеческих факторов вообще и человеческой инженерии в частности. Эта область имеет длинную историю, начинающуюся, вероятно, с лаборатории Дондерса, созданную им для исследований «времени реакций»; реакцию Б-типа (реакцию выбора) можно рассматривать как простейший пример дискретного преследующего слежения. В военное время работы в этой области переросли в исследования управления человеком сложными электромеханическими системами, включая самолеты, морские корабли и орудия. В течение этого периода были разработаны очень общие технические модели человека-оператора, применимые к самым разнообразным задачам. Недавно возникли различные информационные подходы, сосредоточивающиеся преимущественно на познавательных аспектах слежения и управляющей деятельности. Создание новых, более утонченных органов управления, ставшее, возможным благодаря компьютерам, а также новых устройств ввода информации и появление задач, касающихся управления в процессе взаимодействия человека с компьютером, обеспечили новую сферу применения методов ручного управления и слежения.

В данной главе представлены основные элементы и понятия теории этой деятельности и ее методов. Имеющаяся в настоящее время база данных чрезвычайно обширна, поэтому мы ставили задачу дать здесь их широкий обзор, а не углубленный анализ. Более подробную информацию можно найти в библиографических ссылках. В данной главе модели и основные положения рассматриваются на «инженерном» уровне точности: они должны облегчить правильное упорядочение конструкторских альтернатив с точки зрения учета человеческих факторов и позволить провести более или менее реалистический анализ возможных компромиссов между стоимостью и эффективностью. Теория и методы ручного управления и слежения имеют широ-

11 J. Kni^lil, Jr., ЛТ<$Т ('.oiimhiw Products Laboratory. Mendinc, New Jersey.

Ручное управление и слеженне

кие применения. Ручное управление и/или слежение входят в состав таких действий, как быстрое движение к кнопке и ее нажатие, вождение автомобиля и самолета, наблюдение за химическими процессами, работа на сборочной линии, настройка радиоприемника на нужную станцию.

Адаме [1] следующим образом определил основные характеристики задачи слежения:

1. Задающий, программируемый извне входной или управляющий сигнал определяет двигательную ответную реакцию оператора, которая пыполняется путем манипулирования органом управления.

2. Орган управления генерирует выходной сигнал.

3. Разница между входным и выходным сигналами образует ошибку слежения, и задача оператора состоит в том, чтобы свести эту ошибку к нулю.

Заметим, что задающий элемент, относящийся к пункту 1, может быть как «внутренним» (обусловленным желанием человека выполнить задачу слежения как можно быстрее), так и «внешним» (обусловленным, например, независимым движением отслеживаемого объекта). Большая часть задач на слежение, выполняемых вне лаборатории, ставится самим оператором, т. е. имеет внутренний задающий элемент. При самопостановке задачи оператор обладает одной важной характеристикой, отсутствующей в случае жесткого внешнего программирования. Гибкость самопостановки задачи обычно делает слежение более легким: трудность слежения и управления обычно возрастает по мере того, как задаваемые параметры становятся все более внешними и жесткими. При самопостановке задачи оператор может управлять скоростью движения отслеживаемой «цели». На интервалах времени с малой изменчивостью обстановки (например, вождение автомобиля по почти прямой дороге) оператор может увеличивать скорость, а при большой изменчивости (езда по извилистому участку дороги) оператор должен замедлять движение. Путем такого приспособления оператор может поддерживать требования к задаче слежения или управления на предельном уровне своих способностей, улучшая тем самым показатели выполнения.

Материал главы сгруппирован вокруг концептуальных моделей, показанных на рис. 9.1, а и б. На рис. 9.1, а представлена задача управления, а на рис. 9.1,6 — задача слежения. Эти две парадигмы тесно связаны друг с другом. В задаче управления человек-оператор наблюдает за меняющимся во времени состоянием системы. Ответные действия оператора оказывают прямое влияние на эту систему. Поведение системы может быть сложным, а его форма (например, движение) влияет на способность оператора обеспечить адекватное управление. Поэтому

42 0

Глава 9

Рис. 9.1 Структурные модели задач по управлению (а) и слежению (б).

один из основных разделов данной главы посвящен анализу влияния на деятельность оператора того или иного типа поведения системы.

Прежде чем оператор отреагирует на меняющееся во времени поведение системы, он должен воспринять ее состояние. Сно-гоб предъявления оператору информации о состоянии системы— второй важный фактор деятельности слежения, который рассмотрен во втором основном разделе главы.

Наконец, оператор должен производить физические ответные реакции для того, чтобы изменить состояние системы в желаемом направлении. Но прежде чем воздействовать на систему, реакции оператора обычно проходят через сложный управляющий механизм, начиная, вероятно, с органа управления, через электронные блоки и сервомоторы, гидравлические системы и т. д. до непосредственного взаимодействия с управляемой системой. Характеристики путей между ответами оператора и управляемой системой—третий фактор слежения, рассмотренный в третьем основном разделе главы.

Человек-оператор замыкает контур управления, и его психомоторные, информационные и познавательные характеристики и навыки определяют содержание всего процесса управления. Почтам) вначале рассматривается информационная модель че-

Ручное управление и слежение

ловека-оператора, которая позволит понять смысл поведенчес кмх данных, изложенных в трех упомянутых выше основных разделах главы.

В задачах управления ответы оператора непосредственно воздействуют на «целевую» систему, удерживая ее в заданных пределах регулирования или переводя в желаемое состояние или положение. Для оператора цель может быть показана в виде нулевой отметки или фиксированной эталонной линии на экране или шкале прибора. В задачах слежения ответы оператора не влияют на меняющуюся ьо времени целеьую систему. Скорее они влияют на «управляемую оператором систему». Традиционно отображение целевой системы на экране, контролируемом оператором, называется целью. Отображение управляемой системы па экране называется курсором. Ответные движения оператора, влияющие на движение курсора, могут быть подвержены сложным динамическим воздействиям, как это имеет место в задаче управления. В случае слежения оператор действует так, чтобы управляемая система следовала за изменениями, происходящими в «целевой» системе. С точки зрения опера тора, его задача состоит в том, чтобы удерживать курсор как можно ближе к цели.

Теория и параметры, определяющие деятельность оператора при решении задач обоих типов, тесно связаны между собой. К их рассмотрению мы и переходим.

9.2. Информационная модель человека-оператора

Даже выполнение на первый взгляд простых, ручных движений зависит от сложного ряда умственных действий. Поэтому деятельность оператора может быть понята лучше всего при рассмотрении способностей человека но переработке информации. Ниже рассматривается общая информационная модель человека-оператора, содержащая в основном только те характеристики, которые являются главными детерминантами ручного управления и слежения.

Кроссман и Сеймур [8] выделили пять следующих преимущественно когнитивных элементарных действий, или шагов, для большей части психомоторных задач, включая ручное управление и слежение: 1) планирование, 2) начало выполнения, 3) контроль, 4) окончание, 5) проверка. Эти пять умственных действий могут применяться для описания как глобальной задачи, стоящей перед оператором (т..е. управления системой в заданном диапазоне регулирования), так и мелких частных управляющих движений, предназначенных для устранения моментальных отклонений системы от желаемого состояния.

422 Глава 9

Рис. 9.2. Информационная модель человека-оператора.

Способность оператора совершать эти важнейшие когнитивные действия, а значит, и способность эффективно решать задачи ручного управления, опираются на ряд фундаментальных когнитивных процессов и функций. Эти базовые умственные функции и процессы, часто называемые «этапами переработки информации», указаны на рис. 9.2, где представлена информационная модель человека-оператора.

В этой модели, которая является основой для анализа ручного управления, оператору непрерывно предъявляется (левая часть рис. 9.2) информация о задаче, которую предстоит решить. Одна часть информации относится к состояниям целевой и управляемой систем, а другая часть — к ответным действиям оператора, которые он выполняет для поддержания системы в определенном режиме. Оператор использует (т. е. перерабатывает) эту информацию и вырабатывает управляющее воздействие (правая часть рис. 9.2). В данной модели оператор рассматривается как канал, по которому передается информация.

На рис. 9.2 показаны три основных этапа переработки информации: восприятие, выработка решения и управление ответом. Показаны также три системы памяти (сенсорная, кратковременная и долговременная) для хранения информации.

На перцептивном этапе переработки обнаруживается и кодируется в соответствующем физиологическом формате текущая

Ручное управление и слежение

45>3

информация о состояниях целевой и управляемой систем. Эта информация может поступать с видеодисплея или от какой-либо другой системы символического отображения. На этапе выработки решения только что полученная информация используется оператором для планирования или выбора управляющего 0TBeTat необходимого для поддержания системы в требуемом режиме или возвращения ее к этому режиму. Наконец, когда соответствующий ответ выбран, блок управления ответом генерирует нервные сигналы, запускающие мышечную систему оператора для выполнения выбранного ответа. Реализуемый ответ оказывает воздействие на управляемую систему, и по каналу обратной связи информация об этом эффекте поступает к оператору через перцептивный блок. Информация об ответе также хранится в системах памяти оператора.

9.2.1. Уровни сложности управления

Хотя в модели, представленной на рис. 9.2, и ее описании предполагается неопытный оператор, реагирующий только на текущие сигналы ошибки, это не совсем верно. Модель объединяет управляющие процессы по крайней мере трех уровней. Низший уровень действительно тесно связан с текущим сигналом ошибки, предъявленным оператору. Оператор делает специальные коррекции, относящиеся к непредвиденным ошибкам. Деятельность оператора на этом уровне аналогична устройствам с механической обратной связью, работа которых зависит почти исключительно от свойственных им временных задержек в передаче информации и внутреннего шума. Она относительно мало опирается на системы кратковременной и долговременной памяти. Выбор соответствующих ответов осуществляется преимущественно на основе заученных характеристик устройства ввода (например, упругости пружины в датчике ручного контроля).

На следующем, более высоком уровне оператор использует присущие целевой системе предсказуемые изменения во времени. Эта предсказуемость становится для оператора наиболее полезной, когда в результате тренировки и приобретения опыта в его памяти формируется внутренняя модель поведения целевой системы. Вначале эта модель может быть очень элементарной и основывается на том факте, что поведение всякой реальной системы статистически предсказуемо: для некоторого значения х состояние системы в момент времени Т можно предсказать по ее состоянию в момент Тх.

Для неопытного оператора величина х мала. Но по мере тренировки и формирования более эффективной внутренней модели целевой системы х становится больше. Оператор теперь

Ш Глава 9

не связан реакциями только на текущие, непредсказуемые ошибки, но вырабатывает реакции иа предвосхищаемое поведение системы. Этот уровень управления зависит от кратковременной и долговременной памяти, а также от более сложных процессов, протекающих на стадии выработки решения. Несмотря на то что на данной стадии принимаются более сложные решения, общая задача по управлению может стать легче, поскольку стадия принятия решения не занята непрерывно большим числом простых, но отнимающих много времени низкоуровневых управляющих действий.

Наконец, на еще более высоком уровне человек-оператор может создать или использовать ранее сложившиеся общецелевые стратегии, чтобы сделать задачу по управлению еще легче, одновременно улучшив ее выполнение. Например, оператор может перейти от «поз'иционной» стратегии (при которой генерируется много переместительных движений) к стратегии «управления скоростью», при которой совершаются относительно редкие коррекции скорости. Этот дополнительный уровень интеграции ответного действия облегчает задачу для оператора, обеспечивая большее время между управляющими ответами. Оператор должен знать как о динамических характеристиках системы, так и о своих способностях и ограничениях. Центральным вопросом теории ручного управления и слежения становится обычно рассмотрение сложных стратегий, создаваемых оператором для того, чтобы преодолеть или по крайней мере свести к минимуму недостатки, обусловленные ограничением человека и оборудования. В данной главе описываются некоторые типичные стратегии и их влияние на деятельность оператора.

Упомянутые выше уровни сложности управления могут относиться как к внутренним, так и к внешним контурам регулирования, рассмотренным в т. 3, гл. 5. Внешний контур регулирования связан с общими планами и стратегиями, предназначенными для достижения цели управления с учетом ограничений, накладываемых способностями оператора и характеристиками системы управления. Обычно оператор осведомлен о стратегиях, сформулированных на этом уровне, и осознанно выбирает отдельные ответные реакции и корректирующие действия. Внутренний контур регулирования теснее связан с двумя нижележащими уровнями сложности управления. В результате тренировки действия оператора становятся автоматическими и основываются иа сравнительно небольшом осознанном внимании.

Важно отметить, что упомянутые два высших уровня управления по своей когнитивной сложности намного превосходят простые сервосистемы регулирования с отрицательной обратной связью. Эти более совершенные, способности обусловлены сложностью этапов переработки информации, показанных на рис. 9,2,

Ручное управление и слежение

и наличием систем памяти. Главное ограничение во всей деятельности слежения — пропускная способность (в битах на единицу времени) каждого этапа переработки информации.

9.2.2. Структура задачи ручного управления

Человек-оператор, согласно предыдущей модели, — лишь одно из звеньев замкнутого контура прохождения информации, характерного для большинства задач ручного управления. На рис. 9.3 представлена более полная схема типичной задачи ручного слежения, содержащая как человека-оператора, так и различные этапы преобразования информации. На этом рисунке, изобра-

Рис, 9.3. Типичная задача слежения в системе регулирования второго порядка.

жающем систему регулирования второго порядка", показаны следующие основные элементы, определяющие деятельность слежения:

1. Человек-оператор, более детально представленный в информационной модели на рис. 9.2.

2. Внутреннее поведение целевой системы. Изменение состояния целевой системы — первичный источник «задающего» сигнала, который мотивирует оператора к вырабатыванию управляющих воздействий.

3. Способ отображения состояния целевой системы для оператора.

4. Органы управления, с помощью которых ответы оператора вводятся в систему, и преобразования, которым подвергаются эти ответы.

Каждый из этих элементов, начиная с оператора, подробно рассматривается в следующих четырех разделах.

') Система второго порядка, потому что ответы оператора в системе управления подвергаются двойному интегрированию.

426 Глава 9

9.2.3. Ограничения на переработку информации в деятельности ручного управления

Деятельность ручного управления и слежения определяется и в то же время ограничивается возможностями переработки информации на трех главных стадиях^ а также характеристиками трех систем памяти.

Ограничения ручного управления определяются следующими тремя важными характеристиками основных стадий переработки информации:

1. Количество информации, перерабатываемой в единицу времени.

2. Минимальное время реализации.

3. «Фоновый шум». Например, управление ответом всегда осуществляется при наличии мышечного тремора, который ограничивает точность тонких ручных движений.

Если информация поступает слишком быстро, то тот или иной блок может оказаться перегруженным и не сможет работать эффективно. Предельная скорость, с которой в блоке может перерабатываться (т. е. передаваться) информация, называется пропускной способностью канала.

В психологических исследованиях пропускной способности человека часто применяются небольшие наборы дискретных стимулов и ответов (например, ряд лампочек и кнопок). Манипулирование такими параметрами, как количество стимулов и ответов, а также распределения их вероятностей часто используются в различных методиках, позволяющих определять пропускную способность не только отдельных информационных блоков, но и всего человеческого «канала». В задачах ручного управления оператор должен реагировать на непрерывно меняющийся стимул (например, движения управляемой системы). Поэтому следует считать, что оператор реагирует не только на определенное число дискретных состояний системы (что имеет место в некоторых ситуациях слежения за ступенчатой функцией), но и на непрерывно меняющийся входной сигнал. В случае непрерывного слежения ограничения на переработку информации обычно выражаются через полосу пропускания (измеряемую в герцах), а не через пропускную способность канала (измеряемую в единицах бит/с).

Максимальная величина пропускной способности человека, которую оценивали по ответам на дискретные стимулы, составляет 10 бит/с. В исследованиях ручного слежения, где оператор должен был отслеживать непрерывно меняющийся входной сигнал, полоса пропускания составляла около 1 Гц: человек не очень хорошо отслеживает составляющие входного сигнала, имеющие частоту свыше 1 Гц,

Ручное управление и слежение

Оценки пропускной способности человека, основанные на непрерывных ответах, обычно занижены по сравнению с оценками, полученными в задачах с дискретными ответами. Такие особенности оператора, как психологическая рефракторность, ограничивают частоту последовательных независимых ответов величиной приблизительно 2 ответ/с независимо от содержания информации.

Некоторые источники информационной перегрузки. Информация может передаваться блоком с максимальной скоростью, если она «закодирована» в соответствующем формате. Если в блоке выполняются сложные преобразования информации, необходимые для соответствующего ответа на выходе, то скорость поступления информации должна быть ниже своего максимума.

В типичных задачах ручного управления оператор может вычислять производные предъявленной информации для определения влияний предыдущих ответов, а также выполнять многократное интегрирование для выбора соответствующего управляющего воздействия. Такие ситуации встречаются в системах с более высоким «порядком регулирования».

Необходимость выполнения сложных преобразований данных предъявляет известные требования к блоку выработки решений. В общем случае уменьшение степени переработки входной информации, необходимой для преобразования ее в желаемый ответ, повышает скорость передачи и улучшает управление.

К пределу пропускной способности канала можно подходить тремя путями. Первый источник информационной перегрузки связан с тем, что само по себе управление может оказаться трудным, а скорость предъявления информации для определенного блока может быть высока. Ручное управление можно улучшить, если увеличить пропускную способность этого канала.

Второй источник перегрузки — неопытность оператора. Как правило, оператору предъявляется много несущественной или избыточной информации. Наивный оператор не понимает этого и старается переработать больше информации, чем необходимо. Это приводит к перегрузке и, следовательно, к ухудшению деятельности.

Оператор, следящий за непрерывно движущейся на экране целью, должен постоянно переводить курсор в соответствии с меняющимся положением цели. Эта задача становится труднее, если траектория движения цели делается более случайной, а скорость увеличивается, В трудных условиях опытный оператор имеет преимущество благодаря избыточной информации о движении цели: для некоторого х положение цели в момент времени Т можно предсказать по ее положению в момент Тх. Опытному оператору достаточно наблюдать движение цели

428 Глава 9

только каждые х единиц времени. В действительности даже опытные операторы наблюдают за положением движущиеся целей приблизительно в два раза чаще, чем необходимо. Но менее тренированный оператор производит выборку еще чаще, без необходимости нагружая тем самым различные блоки переработки информации.

Процесс, который приводит оператора к способности извлекать только существенную информацию, наиболее важен в формировании навыка ручного управления. Чтобы воспользоваться преимуществом избыточной информации о движении отслеживаемой цели, у оператора должна быть сформирована внутренняя модель. Она позволяет ему предвидеть будущее состояние цели (например, положение), устраняя тем самым необходимость частой выборки и переработки информации от внешних источников.

Наличие внутренней модели, благодаря которой оператор предвосхищает поведение цели или управляемой системы, — один из наиболее важных факторов формирования профессионального навыка ручного управления. Иногда, когда движение цели или курсора имеет сложный характер или протекает с большой скоростью, оператора необходимо обеспечить внешней моделью. Последняя может служить частичной заменой внутрен* него представления, улучшая исполнение. По существу внешняя модель, как и внутренняя, позволяет оператору предсказывать будущие состояния системы, уменьшая таким образом необходимость в низкоуровневых управляющих ответах, вызываемую неожиданными для того или иного момента сигналами ошибки.

Третий источник информационной перегрузки возникает, когда внимание оператора занято выполнением двух задач и информация для них поступает в один и тот же блок с ограниченной пропускной способностью. В этом случае оператор может перерабатывать либо информацию только для одной задачи, ухудшая тем самым выполнение другой, либо часть информации для каждой задачи, что не вызовет сильного ухудшения выполнения и той и другой.

Исследования по разделению времени между задачами и распределению внимания относятся к многомерному слежению. От оператора может потребоваться следить за целью, которая на экране перемещается только горизонтально. В другом случае ему нужно следить за целью, которая движется как по горизонтали, так и но вертикали. Это и есть многомерное слежение. Даже если оператор решает полностью игнорировать движение в одном направлении (например, пытается отслеживать только горизонтальную составляющую движения цели), слежение за выбранным направлением (в данном случае горизонтальным) в общем будет худшим, чем при одномерном слежении.

Ручное управление и слежение

429

На многомерное слежение оказывают влияние два следующих важных фактора:

1. Степень интеграции размерностей. Слежение за одной целью, которая движется одновременно по горизонтали и вертикали, легче, чем отслеживание целей, меняющихся по дзум различным сенсорным измерениям, т. е. оно легче, чем слежение за двумя отдельными целями. Точно так же управление одной рукояткой для отслеживания вертикальной и горизонтальной составляющих движения цели обычно легче, чем манипулирование двумя отдельными рукоятками (одной для горизонтальных управляющих воздействий, другой для вертикальных). Интеграция размерностей влияет на «структурную интерференцию» следящих действий по каждому измерению.

2. Степень концептуальной интеграции. В той степени, в какой поведение цели и реакции управляемой системы на воздействия оператора подобны для разных размерностей слежения, задача многомерного слежения в целом будет легче. Для одной размерности слежения требуется только одна, а не несколько внутренних моделей, позволяющих предсказать поведение системы. К.юме того, при выборе ответов, близких во времени, вероятность «конфликта» между ними становится меньше. Например, ec'ii: движению цели влево соответствует движение органа управления вправо, то двумерное слежение будет наилучшим, если движению цели вверх соответствует движение рукоятки вниз. В этом случае к каждому отслеживаемому измерению применяется единое правило выбора ответа (двигать рукоятку в направлении, противоположном движению цели). По существу концепту а лы-n я интеграция имеет место тогда, когда одни и те же «правила» могут быть применены для слежения по каждому измерению.

Ограничения, накладываемые психологической рефракторно-стью. Другой важный источник ограничений — фиксированная задержка около 300 мс, которая должна разделить последовательные выходы из блока выработки решений. Это так называемая психологическая рефракторная фаза (ПРФ). Если информация поступает в блок выработки решения ранее 300 мс, занятых предыдущим решением, то до тех пор пока не закончится ПРФ, новое решение будет задерживаться. Эта рефракторная задержка не уменьшается с тренировкой, и именно поэтому при анализе деятельности слежения как замкнутого контура регулирования операторы представляются как сервомеханизмы прерывистого действия. Такие механизмы производят выборку информации и реагируют на изменения состояния системы не непрерывно, а в течение дискретных интервалов времени.

430 Глава 9

Хотя ПРФ нельзя устранить, она уменьшается при высокой совместимости стимула и ответа. Последняя означает «естественность» отношения между стимулом и соответствующим ему ответным действием. Например, если оператор управляет курсором с помощью рукоятки и курсор удаляется от цели, то совместимым ответным действием будет движение рукоятки в направлении к цели, чтобы приблизить к ней курсор. Но даже при высокой совместимости стимула и ответа ПРФ может быть уменьшена лишь приблизительно до 200 мс.

Общая характеристика оператора.Приведенная выше модель человека-оператора, представляющая его как последовательность блоков, чувствительных к скорости информационного потока (т. е. к скорости передачи информации), подчеркивает два важных аспекта человека-оператора:

1. Необходимость в механизмах отбора информации и ее эффективных преобразований (т. е. схем кодирования) для предотвращения перегрузки.

2. Необходимость внутренних (или по крайней мере внешних) моделей целевой и управляемой систем, позволяющих оператору использовать избыточную информацию о поведении системы и предвидеть будущие состояния системы.

Опытный оператор обычно обладает эффективными внутренними моделями целевой и управляемой систем. Эти модели позволяют ему точно предвидеть будущие состояния систем, отбирать и перерабатывать только существенную информацию.

9.3. Измерение деятельности слежения и управления

В этом разделе рассматриваются некоторые методические аспекты типичных экспериментов по слежению и управлению. Знания о зависимых переменных, используемых обычно в экспериментах по слежению и управлению, необходимы разработчикам систем по четырем соображениям:

1. Производители дисплеев и органов управления обеспечивают свою продукцию информацией о ее работе. Инженерам, участвующим в проектировании систем, в которые входит эта продукция, необходимы критерии для оценки информации, поставляемой производителями.

2. Некоторые факторы, влияющие на результаты какого-нибудь эксперимента с определенным видом следящей системы, могут оказаться важными в ситуации, в которой используется соответствующая система управления. В частности, это относится к эффектам асимметричного переноса или некоторым аспектам изоморфизма управления.

Ручное управление н слежение

3. При разработке системы на стадии ее конструирования требуется производить различные ее испытания. Чтобы добиться высокого качества работы системы, разработчики должны обращать внимание на соответствующие переменные во время конструкторских испытаний.

4. Знания об экспериментальных переменных и методиках могут также способствовать решению сложных и запутанных проблем, связанных с достоверным моделированием систем управления.

■Перейдем теперь к рассмотрению вопросов, относящихся к постановке оценочных экспериментов и выбору зависимых переменных для анализа деятельности оператора.

9.3.1. Две общие проблемы для экспериментов по слежению и управлению

Чтобы оценить достоверность экспериментальных данных, важно рассмотреть условия, при которых они были получены. Две проблемы — перенос тренировки и диапазонный эффект — часто вводят в заблуждение исследователей слежения и управления.

Перенос тренировки. Перенос тренировки возникает, когда одна задача влияет на задачу, выполняемую позже. Если тренировка во время выполнения первой задачи улучшает выполнение второй, то перенос положительный. Если выполнение второй задачи ухудшается после выполнения первой, перенос отрицательный. Когда первая и вторая задачи влияют друг на друга одинаково, влияние переноса на достоверность экспериментальных результатов можно контролировать путем соответствующего статистического уравновешивания порядка тестирования.

Если первая и вторая задачи влияют друг на друга неодинаково, то перенос асимметричный и для оценки берутся только результаты выполнения задачи, завершенной первой. Использование данных, усредненных по всем пробам, может привести к смещению результатов в сторону условий, облегченных положительным переносом. Влияние асимметричного переноса может быть нейтрализовано путем «межгруппового» планирования эксперимента; при таком плане каждый оператор находится только в одном экспериментальном условии. Таким образом, тренировка при одном условии не может влиять на деятельность при другом условии,

Диапазонные эффекты. Эти эффекты возникают, когда для конкретной экспериментальной переменной выбирается некоторый диапазон ее значений, с которыми и имеет дело оператор. В этом случае влияние переноса будет сказываться неодинако-

432 Глава 9

во на тех из них, которые находятся в середине диапазона. Такого рода диапазонные эффекты могут привести экспериментатора к неправильному выбору конкретных значений переменной1'. Однако в реальных2' ситуациях смещение диапазона тестируемых значений приводит к смещению явно «оптимального» значения к середине нового диапазона.

9.3.2. Измерение деятельности слежения и управления

Для количественной оценки деятельности слежения и управления существуют разные параметры. Показатели слежения обычно основываются на измерении ошибок по положению, времени и фазе. Некоторые показатели более полезны, чем другие.

Ошибки по положению. Ошибки по положению отражают расстояние между курсором и целью. Особенно важны позиционные ошибки, возникающие во время смены направления движения курсора на противоположное. Оператор совершает перерегулирование, когда он не успевает достаточно быстро отреагировать на реверсирование направления движения цели. Аналогично недорегулирование возникает, когда оператор предвосхищает изменение направления и реверсирует управляющее движение до действительного изменения траектории.

Характер недорегулирования и перерегулирования может вскрыть стратегии деятельности и сдвиги в ответных действиях. Перерегулирование и недорегулирование при реверсировании может также свидетельствовать о том, насколько хорошо оператор оценивает среднее время между изменениями направлений в конкретном маршруте. Если оператор совершает недорегулирование, когда это время велико, или перерегулирование, когда оно мало, то он в состоянии прогнозировать, когда в среднем должно произойти изменение направления движения, и на основании этого произвести его.

Частотный анализ ответных реакций.Отслеживающие движений оператора можно разложить на составляющие по частотам. В результате такого анализа можно определить, какие частоты ответных движений присутствовали в движении цели, а какие нет. Последние образуют так называемую «ремнанту». Большие ремнанты указывают на то, что оператор применяет нелинейные стратегии (например, колебательные движения).

'> По-видимому, имеется в виду использование экспериментальных данных й практических приложениях. — Прим. перев.

2> То есть неэкспернментальных. -~- Прим. перев.

Ручное управление и слежение

Ошибки по времени в фазе.Ошибки по времени можно измерять во время реверсов, сравнивая время изменения направления движения цели с временем изменения направления оператором. Средняя ошибка по времени (или временная задержка) определяется после фильтрации входной и выходной функций и кросс-корреляции амплитудных значений отфильтрованных функций. Среднее время задержки на частоте фильтрации есть время опережения ответной кривой во времени, необходимое для максимизации функции кросс-корреляции. Среднее время задержки можно преобразовать в фазовую задержку. Фазовые задержки определяются только для тех частот, которые присутствуют в движении цели.

Общие меры ошибки.Общие меры ошибки соответствуют среднему расстоянию между курсором и целью. Существует несколько таких мер. В некоторых из них учитывается знак отдельной ошибки, в других — нет.

Постоянная ошибка по положению. Это среднее арифметическое ошибочного расстояния. Она указывает диапазон отклонения среднего положения курсора вверх или вниз от траектории цели. Поскольку эта мера вычисляется по ошибкам с учетом их знака и интегрированием по времени, положительные и отрицательные ошибки имеют тенденцию компенсировать друг друга.

Стандартное отклонение распределения ошибок Эту меру иногда называют «переменной ошибкой»; в статистике она соответствует стандартному отклонению. Она вычисляется как сумма квадратов разностей между постоянной ошибкой по положению и каждой отдельной ошибкой. Эта мера — один из наилучших общих показателей того, насколько хорошо работает оператор.

Средняя абсолютная ошибка. Это так называемая «средняя ошибка по модулю». Она равна среднему арифметическому отдельных ошибок по положению, взятых без учета их знака. Она отражает как переменную ошибку, так и постоянную ошибку по положению. Распределение этой меры имеет У-образную форму, поэтому она менее подходит для тестов параметрической статистики, чем постоянная ошибка по положению.

Среднеквадратичная ошибка. Среднеквадратичная ошибка (СКО) равна квадратному корню из суммы квадратов индивидуальных ошибок. Так же, как и стандартное отклонение ошибок, СКО совместима с параметрической статистикой.

Постоянная ошибка по положению и стандартное отклонение распределения ошибок статистически независимы, хотя в данной выборке они могут коррелировать. Средняя абсолютная ошибка и СКО коррелируют друг с другом и с двумя другими

434 Глава 9

мерами. Величина корреляции между средней абсолютной ошибкой и СКО меняется в зависимости от количества данных и задачи. Когда корреляция высока, предпочтение отдается СКО, потому что ее можно подсчитать точнее из записи данной длины. СКО имеют еще одно преимущество: их легко объединять. Так, общая ошибка системы, включающей работу нескольких операторов, определяется как квадратный корень из суммы возведенных в квадрат СКО для каждого оператора. Если постоянная ошибка по положению не велика и не выражена в одном направлении, она дает наилучшую оценку общей ошибки системы. Когда постоянная ошибка по положению велика, объединение ОКО приводит к занижению ошибки системы.

9.3.3. Другие методы оценки

Остальные методы оценки не столь полезны и надежны, как описанные выше. Иногда полученные с их помощью меры позволяют произвести грубые оценки, но по отношению к более точным мерам их нельзя считать взаимозаменяемыми и к тому же они могут вводить в заблуждение. Одна из этих мер —время совмещения с целью — заслуживает особого рассмотрения, поскольку с ней часто приходится сталкиваться и ее неправильно интерпретируют. Эту меру легко получить с помощью простого оборудования, но она легко вводит в заблуждение, так как в ней не различаются большие и малые ошибки. Кроме того, время совмещения с целью зависит как от ее размера, так и от характера следящих движений оператора. Если используется эта мера, то более приемлема непараметрическая статистика. Время совмещения с целью можно преобразовать в СКО; однако для повышения точности преобразования требуется увеличить время слежения по крайней мере на 50%.

9.4. Влияние поведения системы на деятельность оператора

Каким бы ни был задаваемый сигнал, который отслеживается оператором (например, курсор на дисплее или края дороги), движение этого сигнала в течение некоторого времени может быть представлено в виде общего математического выражения. Оно представляет собой сумму чисто синусоидальных колебаний:

F{t)=C0 + icn cos (naot — Q„). (1)

Синусоида с наивысшей частотой и ненулевой амплитудой, входящая в сумму, определяет самое быстрое движение, отображаемое сигналом.

Ручное управление и слежение

Рис. 9.4. Зависимость положения цели от времени для четырех типов поведения системы.

Несмотря на то что любое поведение системы, которое должно отслеживаться оператором, может быть представлено как суперпозиция синусоидальных колебаний, точная форма траектории сигнала оказывает важное влияние на деятельность слежения. При отслеживании различных траекторий проявляются качественно различные стратегии и важными становятся разные компоненты навыка. В данном разделе рассмотрено влияние на деятельность слежения четырех часто встречающихся форм входного сигнала. К ним относятся одноступенчатая (рис. 9.4, а), многоступенчатая (рис. 9.4,6) и синусоидальная (рис. 9.4, в) функции, а также плавно меняющиеся комбинации синусоидальных колебаний (рис. 9.4, г).

9.4.1. Отслеживание одноступенчатого сигнала

Траектория одноступенчатого сигнала (единичного скачка) содержит одно резкое изменение положения. Часто время скачка непредсказуемо. Оператор должен произвести быстрое и адек-

436 Глава 9

ватное управляющее воздействие для того, чтобы возвратить систему в допустимое состояние или переместить курсор в новое положение. В фурье-преобразовании (суперпозиции синусоидальных волн) единичного скачка быстрое изменение положения соответствует наличию синусоид с очень высокой частотой. Поскольку полоса пропускания человека-оператора примерно равна 1 Гц, высокочастотные компоненты не могут найти точное отражение в его ответах, и поэтому слежение будет несовершенным.

К типичным примерам отслеживания единичного скачка откосятся изменение скоростной трассы (пример взят из работы Поултона [35]), быстрое движение пальца при нажатии на кнопку и настройка приемника на новую станцию путем вращения ручки управления.

Отслеживание единичного скачка зависит от следующих основных факторов:

1. Время ответной реакции оператора, которое нужно учитывать в случае временной неопределенности движений, а также в случае, когда требуемое в данный момент управляющее воздействие заранее неизвестно оператору.

2. Амплитуда требуемого управляющего движения.

3. Точность ответной реакции (связанная с площадью цели, к которой оператор направляет движение).

4. Требования к темпу ответных реакций (т. е. должны ли ответные реакции выполняться за определенные интервалы времени).

Кроме того, деятельность оператора зависит от характера отображения информации на дисплее и характеристик устройства ввода-вывода, через которое ответные реакции оператора поступают в контур управления.

Время реакции. Если скачок положения цели неожиданный или оператор не знает, какой из нескольких скачков должен произойти, пока один из них не совершился, то управляющее воздействие начнется только по истечении времени реакции на первый скачок. Время реакции зависит от множества факторов, которые относятся к информационным характеристикам оператора.

Прежде всего необходимо обнаружить изменение в целевой системе. Предположим, что внимание оператора направлено на устройство отображения информации и что скачок представлен аольшим (!»е. з. р.)и сигналом на экране. В этом случае минимально возможное время реакции зависит преимущественно от

'> Едва заметное различие (с. з. р.) —это минимальное для данного сенсорного параметра различие 8 стимуле, которое может быть обнаружено.

Ручное управление и слежение

конкретной сенсорной системы, на которую действует стимул. Оно зависит также от времени, необходимого для того, чтобы блок управления ответом смог активировать соответствующие мышцы. Минимальные времена реакции для сигналов разных сенсорных модальностей представлены в табл. 9.1.

Таблица 9.!. Минимальные времена реакции для сигналов разных сенсорных модальностей [6|

Модальность Время реакции, мс
Зрение Слух Осязание Проприоцепцня (вращение тела) 180 140

Если оператор заранее не знает, какое потребуется управляющее воздействие, то блок выработки решения вводит дополнительное увеличение задержки времени реапфоичния

Амплитуда управляющего движения. Однажды начаошксь, управляющие движения с большой амплитудой ускоряются и достигают более высоких скоростей, чем движения с небольшой амплитудой. Но добавочная скорость обычно недостаточна для компенсации увеличения расстояния, поэтому более протяженные ответные движения требуют более продолжительного времени, чем короткие. Особый интерес представляет соотношение между амплитудой движения и точностью. Крэйк и Вине [7] показали, что для быстрых движений с амплитудой свыше 2 см погрешность движения приблизительно пропорциональна его величине:

Ј/D«0,05, (2)

где £—-средняя абсолютная ошибка, D — амплитуда целенаправленного движения. Это соотношение называется правилом пропорциональности Крэйка (см. [34]). Для управляющих перемещений менее 2 см соотношение Крэйка уже не остается приблизительно постоянным, а быстро увеличивается. Для перемещений 0,25 см оно увеличивается приблизительно до 0,20, а для целенаправленных перемещений менее 0,1 см ошибка возрастает до 0.80. В этом выражается вклад физиологического шума (т. е. мышечного тремора), характерного для блока упраилення ответом.

Сочетание скорости и точности управляющих лвиж*ний. Скорость управляющего двн/кения здвксч» от трудности oieeia.

438 Глава 9

Фиттс [12] определил индекс трудности (ИТ) движения по аналогии с теорией информации:

ИТ (бит) =\g(2AIW), (3)

где А — амплитуда целенаправленного движения, W—ширина «целевой» зоны, на которой оператор намерен закончить движение. Таким образом, W—мера точности управляющего движения.

Фиттс обнаружил, что время завершения движения (ВД) может быть вычислено по параметру ИТ0:

ВД=*И1 + СИ1-ИТ, (4)

где km — постоянная задержки, которая зависит от того, какой частью тела совершается ответное движение (для ноги и руки km будет разным; для ручных движений типичное значение km равно 0,177 с); Ст—мера переработки информации (обычно Cm>=0.1 с/бит). Для повторяющихся ответов типа движений туда и обратно между позициями Ст несколько меньше, чем для единичных, изолированных движений.

Из уравнения (3) следует, что каждое удвоение требуемой точности (т. е. уменьшение ширины цели вдвое) приводит к увеличению ИТ на единицу. При этом ВД возрастает [уравнение (4)] на величину Ст (точное значение Ст зависит от пропускной способности канала в блоке управления ответом).

Зависимость между ИТ (точностью движения, если его амплитуда постоянна) и ВД называется законом Фиттса. Этот закон гласит, что при постоянном отношении точности движения к его амплитуде время движения будет постоянным. Это видно на рис. 9.5. Однако в некоторых случаях закон Фиттса не соблюдается, особенно при очень узких (<0,6 см) или очень широких (>5 см) целях. В таких случаях операторы не демонстрируют распределений ошибок в соответствии с конкретными целями: при малой цели очень многие ответы заканчиваются промахами, тогда как при большой цели ответы распределяются не по всей ее шнрнне, а в узкой центральной части. По-вндимо-му, оператор делает движение к «эффективной» цели, ширина которой не соответствует действительной цели. Чтобы вычислить ширину эффективной пели, можно допустить нормальное распределение амплитуд движений. Затем определяется дисперсия распределения движений, для чего подсчитывается доля (%)

'* Другие варианты "закона Фиттса" были получены на основе различных теоретических моделей управления движениями. Уэлфорд [41] предложил следующее соотношение: Bfl=Clg(UP/.4-f-0,5), где С» 100 мс/бит. Это соотношение хорошо согласуется с первоначальным вариантом закоиа Фиттса, но дает лучшее приближение к данным, получаемым в условиях очень широких или узких целей.







Дата добавления: 2015-06-15; просмотров: 112. Нарушение авторских прав

Studopedia.info - Студопедия - 2014-2017 год . (1.3 сек.) русская версия | украинская версия