Математические методы в инженерной психологии

С развитием технического прогресса, механизации и автоматизации производства, с появлением множества новых профессий возникла специальная техническая проблема - проблема учета психологических возможностей человека при работе с техникой. Началось интенсивное изучение предельных возможностей человека, скорости переработки информации, исследование закономерностей утомления при работе на определенных технических средствах и все это с намерением проектирования новой техники, приспособленной к возможностям человека. Это направление получило название инженерная психология. Если основной задачей психологии труда является учет психологических особенностей работы человека в условиях труда, то основной задачей инженерной психологии стало приспособление техники к возможностям человека. Таким образом, инженерная психология изучает объективные закономерности процессов информационного взаимодействия человека и техники с целью использования их в практике проектирования, создания и эксплуатации систем "человек-машина". Поскольку человек остается ведущим звеном в организации трудовой деятельности, то и основное внимание уделяется деятельности человека-оператора и тех сложностей, с которыми ему приходится сталкиваться в процессе выполнения служебных заданий.

Часто человек допускает ошибки не потому, что он не овладел своей профессией, а потому, что его психофизиологические возможности ограничены: скорость передаваемой информации превышает возможности органов чувств, форма сигналов оказывается трудной для осмысливания их человеком и т.п. Если при создании новой техники не будут учтены закономерности восприятия, внимания, памяти и мышления, психические свойства человека и динамика его психических состояний, то это означает, что уже в самой создаваемой технике "закладывается" человеческая ошибка.

Рассмотренные выше психологические и физиологические методы могут быть применены лишь в реально существующих человеко-машинных машинах или при наличии работающих макетов, имитаторов или испытательных стендов. Когда система еще находится на стадии проектирования и в чертежах, применение этих методов просто невозможно. Именно в таких случаях имеют место математические методы.

К математическим методам в инженерной психологии предъявляются следующие требования: размеренность (описание процессов управления со многими взаимосвязанными переменными), динамичность (учет фактора времени), неопределенность (учет случайных, вероятностных составляющих в деятельности оператора), факторность (учет специфических особенностей поведения человека, например, его эмоций и т.д.), описательность (возможность описания внутренних, психофизиологических механизмов деятельности человека). Кроме того, применяемые методы должны допускать возможность описания деятельности человека и работы машины с помощью единых показателей и характеристик.

Применяются следующие методы математического моделирования: теория информации, теория массового обслуживания, теория автоматического управления, теория автоматов, теория статистических решений. Однако, каждый из этих методов оптимален лишь по одной-двум характеристикам, иными словами, удачно описывает лишь определенные стороны деятельности оператора. Поэтому при решении конкретных инженерно-психологических задач очень часто приходится применять комбинацию тех или иных методов. В настоящее время наиболее широко используется методы теории информации, теории массового обслуживания, теории автоматического управления.

Под математической моделью (ММ) деятельности оператора будем понимать совокупность соотношений (например, формул, уравнений, неравенств, логических условий и т. д.), которые связывают характеристики деятельности с параметрами соответствующей подсистемы (или системы в целом), исходной информацией и начальными условиями и способы изоморфно (изоморфизм – соответствие между объектами, выражающее одинаковость их структуры) отразить свойства деятельности человека в данной системе.

Обратим внимание на некоторые стороны метода математического моделирования, существенные в плане решения проблемы проектирования деятельности.

1. В процессе  разработки сложных систем выявляются  и описываются разнородные подсистемы  и элементы, в которых протекают  разные процессы, функционируют  разные механизмы. Чтобы оценить  и проанализировать всю систему  в целом, необходимо установить  связь между этими подсистемами  и элементами, соединив в едином  теоретическом описании различные  процессы и механизмы. Это требует  описания всех подсистем и  элементов на одном языке посредством  ММ. “Общим языком для всех специалистов, – указывает Б. Г. Ананьев, – все больше становится язык кибернетики и теории информации, с помощью которого можно в допустимых пределах найти общее в работе человека и автомата как управляющих систем или своеобразных кибернетических машин, определить эффективные условия передачи информации от человека к машине и от машины к человеку, оптимальные характеристики управления и регулирования во всей системе”, т. е., по нашему определению, с достаточной степенью полноты решить проблему ИПП.

2. Строгость математического  подхода заставляет четко формулировать  закономерности деятельности человека-оператора. Математическое моделирование открывает  гораздо более широкие возможности  по сравнению с возможностями, которые обеспечивает проведение  инженерно-психологического эксперимента. Оно позволяет в более широких  пределах проверять гипотезы, точнее  судить о степени полноты и  истинности имеющихся представлений, предсказывать существование новых  явлений выявлять необходимость  постановки новых экспериментов  и т. д.

3. Использование  метода математического моделирования  позволяет привлечь к инженерно-психологическим  исследованиям, в том числе и  к решению проблемы проектирования  деятельности, мощный арсенал современных  быстродействующих электронных  вычислительных машин.

Таким образом, для решения задач ИПП деятельности оператора используется система методов. При этом методы, составляющие систему, не просто механически дополняют друг друга, но и диалектически взаимодействуют. Однако взаимодополнимость и взаимодействие методов не снимают доминирующего влияния одного из них.

Известно, что методы формируются под воздействием концепций (концепция – определенный способ понимания, трактовки каких-либо явлений, руководящая идея для их освещения) господствующих в тот или иной период развития знания. Поэтому в разное время доминирующее значение может приобретать тот или иной метод (группа методов).

Для современного этапа развития инженерно-психологического исследования характерно использование методов, в основе которых лежит формализованное описание деятельности человека-оператора, особенно метода математического моделирования. Инженерная психология уже вступила на путь математического моделирования деятельности, но испытывает на этом пути много серьезных трудностей, причем зачастую не технического, а методологического порядка. К этим трудностям относятся сложные аспекты и противоречия в понимании природы метода математического моделирования. Поэтому целесообразно уточнять те пункты, которые являются отправными при использовании метода математического моделирования деятельности в процессе инженерно-психологического проектирования.

Метод математического моделирования деятельности при инженерно-психологическом проектировании

В общей форме принципы математического моделирования деятельности идентичны принципам математического моделирования в других областях научного исследования. Но вместе с тем в процессе применения к конкретным сферам исследования эти принципы существенно конкретизируются. Эта конкретизация оказывается чрезвычайно важной для понимания роли и места математического моделирования деятельности и путей его приложения.

Излагаемые ниже исходные принципы использования метода моделирования в значительной мере вытекают из того подхода, на котором основывалось понимание проблемы проектирования деятельности в системно-антропоцентрической концепции. Как известно, решающая цель системного подхода вообще состоит в том, чтобы обеспечить органическое единство в исследовательском процессе системного уровня функционирования и индивидуальной характеристики каждого дробного элемента или механизма, принимавшего участие в этом функционировании. Системный подход, таким образом, позволяет рассматривать и проектировать деятельность одновременно и как элемент эргатической системы, и как сложно-динамическую систему. Однако цели моделирования при этом различны. В первом случае цель моделирования заключается в синтезе связей между человеком и техническими элементами ЭС, в установлении позиции человека и системы. Во втором случае цель моделирования – синтез и анализ деятельности как сложной системы, описание существенных свойств и компонентов данной системы.

Итак, с позиции последовательности проектирования все математические модели целесообразно разбить на две большие области, которые, пользуясь известной аналогией с кибернетическими исследованиями, уместно определить соответственно как область макро- и микромоделей.

Надо сказать, что, в отличие от кибернетических исследований, где под микромоделированием понимают создание моделей, описывающих известную внутреннюю структуру объекта, под микромоделированием при проектировании деятельности понимается моделирование внешней, функционально- динамической структуры деятельности, иными словами, разработка моделей, описывающих последовательность выходов человека-оператора (его функций) в зависимости от последовательности входных воздействий. Моделируется не сам человек, а его функции. Поэтому в качестве исходной предпосылки принимается принцип преимущественно функционального характера математических моделей деятельности на любом уровне моделирования, на любой фазе проектирования деятельности.

Схемы построения моделей для выделенных областей вследствие различия в целях должны существенно отличаться. При построении макромоделей нужно учитывать тот фундаментальный факт, что информация стала унифицирующим понятием, т. е. следует исходить из факта признания общности информационных процессов для любых форм управляющей деятельности. Поэтому наиболее предпочтительным математическим аппаратом для макромоделей представляется аппарат теории информации. Именно благодаря информационному аспекту (“отвлекающемуся” от специфики конкретных механизмов приема, передачи и преобразования информации) возможен чрезвычайно абстрактный подход на фазе выбора позиции человека в эргатической системе.

Необходимо отметить, что при применении теоретико-информационного подхода встречаются трудности, связанные прежде всего с условиями корректного распространения аппарата современной теории информации в специфическую область взаимоотношений человека и машины. Обсуждение этой проблемы выходит за рамки юниты. Поэтому только укажем, что в плане решения поставленной задачи весьма удобен подход, связанный с введением времени в исходные соотношения для энтропии (энтропия – мера вероятности пребывания системы в данном состоянии) и информации. Специфика математического моделирования определяется как объективными, так и субъективными факторами. К первым относится опосредованность деятельности предметом и орудиями труда (целями ЭС, ее структурой и средствами осуществления деятельности), т. е. факторами, которые определяют деятельность как сложно-динамическую систему. Ко вторым относятся, например, задачи, которые ставятся перед модельным исследованием. Отмеченная специфика обусловливает построение классификации микромоделей в два этапа.

Поскольку пока невозможно охватить сложную систему – деятельность – целиком, во всем многообразии ее связей, то мы вынуждены прибегать при моделировании к расчленению системы, которое может производиться на самых различных основаниях. Членение деятельности весьма удобно производить, руководствуясь одной из основных концепций психологической теории деятельности, сформулированной А. Н. Леонтьевьм.

Понятно, что ни одна целостная деятельность не осуществляется помимо выполнения соответствующих “отдельных деятельностей” и действий, под которыми понимается сложная совокупность процессов, объединенных общей направленностью на достижение определенного результата. Действия обозначим как режимы функционирования. Поэтому при моделировании на первом этапе целостную деятельность, рассматриваемую как сложно-динамическую систему, необходимо расчленить на отдельные составляющие элементы (действия, режимы функционирования) согласно исходным компонентам, свойствам и связям, специфичным для данного типа ЭС, и разработать микромодели по выделенным элементам. Отметим, что все режимы функционирования настолько тесно связаны в целостной деятельности, что их лишь условно можно отделить и обособить друг от друга. В качестве разделяющего признака можно использовать главную задачу (в психологическом смысле), выполняемую оператором при функционировании.

Таким образом, в качестве одной из основных задач инженерно-психологического проектирования выделяется задача психологического анализа структуры деятельности оператора, включающей определенный состав действий (которые должен выполнять человек в эргатической системе), и возможных способов их выполнения. При изучении отдельных психологических процессов здесь следует прежде всего учитывать то место, которое они занимают в человеческой деятельности, в ее иерархической структуре. Иными словами, инженерно-психологическое проектирование должно опираться на системный и “поуровневый” анализы деятельности.

При всем количественном и качественном разнообразии можно различать лишь небольшое число режимов функционирования. Одни режимы соответствуют задачам, где выполнение операторских функций связано прежде всего с получением информации и ее первичной оценкой. Основная задача оператора решается в сфере восприятия, а переработка информации с последующим принятием решения и исполнительные действия предельно упрощены. Примерами режимов функционирования такого рода могут служить режим контроля и наблюдения, режим поиска, обнаружения и опознания. Другая группа режимов соответствует задачам, где центр тяжести операторских функций падает на исполнительные действия, в то время как восприятие (создание субъективного образа предмета, явления или процесса, непосредственно воздействующего на анализатор или систему анализаторов), переработка информации и принятие решения не представляют особых трудностей и поэтому по существу не являются в психологическом смысле главной задачей. Процесс принятия решения сводится к выбору исполнительных действий по заранее обусловленной схеме. Примерами такого рода режимов функционирования могут служить режимы слежения, режимы ретрансляции информации. К третьей группе относятся режимы функционирования, в которых на первый план выступает задача переработки информации и принятия решения. Деятельность такого типа характеризуется тем, что оператор, как правило, отчетливо представляет себе задачу ЭС и способы ее достижения.