Зависимость ошибочных реакций от вида движения

На основании данных табл. 14.5 можно сделать ряд важных выводов по сокращению числа ошибочных реакций оператора. Из трех основных направлений поступательных движений (вверх-вниз, вперед-назад и вправо-влево) лучшими по числу ошибок являются первые. Им несколько уступают продольные движения (вперед-назад). Поперечные движения (вправо-влево) дают гораздо большую частоту ошибок, поэтому при конструировании рабочих мест оператора их следует всячески исключать. Для рассмотренных движений имеются также направления, для которых вероятность ошибки меньше, чем для противоположных. Такими направлениями являются вверх, вперед и вправо. Преимущество этих направлений обнаружено для обе­их рук.

Особенно большую частоту ошибок и пропусков дают поворотные движения рук вокруг продольных осей. Поэтому при создании рабочих мест целесооб­разно отказаться от применения поворотных рукояток в тех случаях, когда необходимо обеспечить минималь­ную частоту ошибочных действий оператора. Если все же параллельно с дискретными действиями оператор должен выполнять операции точного регулирования или слежения, лучшим распределением функций яв­ляется следующее: правая рука осуществляет точные непрерывные движения, а левая выполняет дискрет­ные действия.

Частота ошибок зависит также от пальца, которым осуществляется управляющее воздействие. С точки зрения увеличения частоты ошибок различные пальцы располагаются в следующем порядке: большой, сред­ний, указательный, мизинец, безымянный.

При отработке сигналов одновременными дви­жениями различных сочетаний пальцев скорость ре­акции и частота ошибок зависят также от числа паль­цев, участвующих в сочетании. В общем случае с увеличением числа пальцев в сочетании увеличива­ется как время реакции, так и число ошибок. Эти показатели зависят также от того, какие именно пальцы участвуют в сочетании [192]. Данное об­стоятельство необходимо учитывать при построе­нии так называемых полифункциональных клавиа­тур (см. главу XVII).

Независимо от режима работы по всем направле­ниям наблюдается рост числа ошибок с ростом ампли­туды движений.

Наиболее распространенным видом сенсомоторной координации являются операции слежения. Зада­ча оператора в этом случае заключается в том, чтобы посредством воздействий на органы управления удер­живать движущийся объект на заданной траектории или совмещать его с другим движущимся объектом. В отличие от реакций, которые носят дискретный ха­рактер, операции слежения представляют собой по ви­димости непрерывный процесс.

Различают два основных вида операций слеже­ния. В случае, когда оператор воспринимает весь ход изменений входного и выходного сигнала и сводит к нулю разностную ошибку, операция называется со­провождающим слежением (слежением с преследо­ванием). Если же оператор воспринимает только разность между входным и выходным сигналами и стремится свести ее к нулю, слежение называется компенсирующим.

В качестве разновидности сопровождающего сле­жения иногда выделяют слежение с предвидением. Под ним понимается процесс, при котором оператор вос­принимает не только текущее значение входного сиг­нала, но и закон его изменения на некоторый отрезок времени вперед. Примером такого слежения является управление автомобилем в условиях, когда оператор видит лежащий впереди участок дороги. Установлено, что предвидение существенно улучшает условия дея­тельности оператора и повышает точность слежения. Этот вид слежения используется, например, в индика­торах с предсказанием, которые находят применение в авиации. Эти индикаторы предоставляют летчику информацию о будущих состояниях переменных па­раметров, находящихся под его управлением. Предви­дение результатов управляющих воздействий позволя­ет летчику точно и своевременно рассчитать маневр по управлению самолетом [2].

Основными характеристиками процесса слежения являются: время инерции, время нахождения метки на цели, величина ошибки слежения, плавность слежения. Переменными параметрами являются скорость движе­ния цели, первоначальное рассогласование и время слежения [201].

Лучшими оказываются характеристики процесса слежения с преследованием. Установлено, что время инерции колеблется в пределах 0,65—1,25 с, причем наибольшим оно оказывается для малых скоростей движения цели (менее 8 мм/с). Время нахождения метки на цели составляет 5— 7% всего времени слеже­ния. По мере тренировок это время может быть дове­дено до 20 и более процентов.

Средняя ошибка слежения колеблется в пределах 0,15—0,20 с при скорости движения цели в поле зре­ния 2 мм/с и 0,05—0,15 с при скорости 10 мм/с. Наи­больший удельный вес в процессе слежения составля­ют операции опережения (40—50%). Колебательный процесс слежения характеризуется частотой 1,5—5 Гц.

Помимо сенсомоторного слежения в перспективе представляется возможность использования чисто сен­сорного слежения, в котором оператор управляет объектом путем перемещения взгляда. Для этого ис­пользуются бесконтактные датчики определения точек фиксации взгляда [127].

Так же как и для сенсомоторных реакций, при изучении процессов слежения большое значение име­ет анализ возможных причин нарушения процессов сенсомоторной координации. Установлено, например, что при слежении за случайными сигналами сбои и отказы в работе оператора, возникающие с увеличени­ем частоты этого сигнала, обусловливаются не столько ограничениями сенсомоторики человека по частотным характеристикам, сколько тем, что при высокой час­тоте случайного сигнала затрудняется предвидение [20]. Данное обстоятельство следует учитывать при отборе и тренировках операторов, организации рабо­чих мест (применение, например, индикаторов с пред­сказанием).

Крайним случаем нарушения сенсомоторной ко­ординации является срыв слежения. Под ним понима­ется ситуация, при которой величина дисперсии ошибки слежения равна дисперсии входного сигнала. Иными словами, это равносильно полному бездействию опе­ратора. Системное исследование показало, что при слежении за периодическими сигналами срыв деятельности может быть вызван разными причинами: услож­нением деятельности (увеличением частоты предъяв­ляемого сигнала), утомлением, изменением отношения оператора к выполняемой деятельности. В каждом из этих случаев срыв слежения носит специфический характер, объясняющийся нарушением устойчивости различных сторон деятельности. Частота срыва слеже­ния определяется главным образом возможностями оператора прогнозировать предъявляемый сигнал [201].

Важной инженерно-психологической задачей яв­ляется определение возможных путей повышения эффективности слежения. Эта работа проводится по трем основным направлениям. Первое из них связано с выбором оптимальных значений параметров объекта и системы слежения. В системах, где операция слеже­ния представляет измерение координат некоторой цели, имеется свобода выбора как схемы и величин параметров системы слежения, так и типа индикатора (сопровождающего или компенсационного), наиболее подходящего для условий применения данной СЧМ. В случаях, когда операция слежения представляет уп­равление динамическим объектом известного типа, имеется возможность только выбора величин парамет­ров объекта. Однако в обоих случаях параметры сис­темы должны быть назначены оптимальными.

Другое направление основано на увеличении объе­ма информации, предъявляемой оператору. Для этого в систему вводятся дополнительные цепи, представля­ющие собой, как правило, обратные связи. Дополни­тельная информация может подаваться, подобно основ­ной, по зрительному каналу. Примером этого являются схема с ускоряющими обратными связями и схема с прогнозирующим дисплеем. Кроме рассмотренного случая дополнительная информация может поступать через обратные связи других модальностей. Это, на­пример, случаи дублирования сигнала рассогласова­ния по зрительному и слуховому каналам [40]. Широко используются также проприоцептивные обратные свя­зи, служащие для подачи оператору специально орга­низованной дополнительной информации. Примерами работ этого направления является рукоятка управле­ния, выполненная как динамический аналог управля­емого объекта, и система слежения, в которой входные сигналы подаются одновременно на визуальный инди­катор и на подвижное кресло оператора. Исследования показали, что введение сигналов обратной связи осо­бенно полезно при высокочастотном входном сигнале [40,201].

В основе третьего направления лежит идея парал­лельной и взаимосвязанной работы нескольких опера­торов. В простейшем случае п операторов, имея в сво­ем распоряжении одинаковые системы, следят за одним и тем же входным сигналом. При независимо­сти ошибок слежения отдельных операторов диспер­сия общей ошибки уменьшается в п раз в сравнении с дисперсией ошибки одного оператора. В более слож­ных случаях отдельные операторы выполняют не иден­тичные, а разные задачи. Сложная деятельность по отслеживанию входного сигнала подразделяется на простые, не совпадающие между собой операции, уп­рощающие работу каждого из операторов [193J.

Одним из примеров подобного разделения функций является схема, в которой два оператора выполняют совместное слежение за перемещением объекта на экране дисплея. При этом первый оператор не обязан удерживать перекрестие визира на движущемся объек­те. Его задачей является ликвидация перемещений объекта относительно сетки на экране. Это делает управляющие движения человека более простыми. Второй оператор ликвидирует смещение объекта отно­сительно центра визира, при этом его действия также существенно упрощены.

Замена операции слежения операцией синхрони­зации дает существенное сокращение времени пере­ходного процесса в 1,4 — 1,5 раза при угловой скорости радиуса-вектора наблюдаемого объекта, равной 0,23 1/с. Эквивалентная схема такого объединения операторов может быть представлена последовательным соедине­нием астатического (первый оператор) и статического (второй оператор) звеньев первого порядка. При этом второй оператор ликвидирует ошибку по скорости, которая допускается на первом этапе слежения [193].

Анализ процессов слежения, выполняемых чело­веком, часто производится с помощью определения передаточных функций. Они предложены в теории автоматического управления для описания линейных систем. Передаточные функции полностью определя­ются динамическими свойствами системы и не зави­сят от типа входного сигнала. Только при выполнении этих условий возможно их корректное применение для описания и анализа деятельности оператора.

Однако при анализе спектра ответных действий оператора обнаружено, что он содержит кроме требу­емого сигнала еще ряд составляющих и случайный процесс, которые не предусмотрены целью деятельно­сти. Это является следствием дополнительных движе­ний и свидетельствует об эффекте нелинейного пре­образования оператором входного сигнала. Эффект невелик на малых частотах и существенно возрастает по мере увеличения частоты входного сигнала. Следо­вательно, линейные модели человека-оператора спра­ведливы только при низких частотах предъявляемого сигнала (менее 0,75 Гц).

Экспериментальный анализ деятельности опера­тора в режиме слежения показал двойную природу дополнительных движений. С одной стороны, они яв­ляются ошибкой слежения, т. е. представляют собой отрицательный фактор. С другой стороны, они имеют информационный характер и необходимы для успеш­ного осуществления слежения. При создании линей­ных моделей эти движения не учитываются. Это при­водит к потере информации о регуляции деятельности, поскольку такие движения являются одним из показа­телей психологических особенностей работы операто­ра в режиме слежения. Потери информации тем боль­ше, чем выше частота входного сигнала [201].

Для оценки деятельности оператора при слежении используют как частные (время инерции, ошибка сле­жения и др.), так и обобщенные показатели. Последние позволяют дать интегральную оценку деятельности оператора. Одним из таких показателей является обоб­щенная рабочая характеристика оператора (ОРХ). В ка­честве ОРХ используется время Т = f(R, Q, l) существо­вания (правильного функционирования) тройки <R, Q, l>, где R — математический оператор, характеризующий входной для человека сигнал; Q — математический оператор, характеризующий закон необходимых пре­образований, выполняемых человеком над входным сигналом; Х — заданная из условий целостности СЧМ точность преобразования входного сигнала. Термин ОРХ указывает, что время Т, во-первых, является обоб­щающим фактором для всех параметров, влияющих на характеристики оператора (психологические, физиоло­гические и др.), и во-вторых, позволяет определить все множество значений троек <R, Q, l >, для которых вы­полняется условие целостности СЧМ, т. е. f (R, Q, l)³T. Обобщенная рабочая характеристика нашла практи­ческое применение для расчета и оптимизации непре­рывных систем ручного управления [131].

Анализ и оптимизация управляющих движений мо­гут осуществляться также с помощью методов целенап­равленной механики (механики управляемого тела), пред­ложенной и разработанной для описания движений человека при больших отклонениях органов управления [72]. В отличие от классической механики в целенаправ­ленной механике кроме трех законов Ньютона применя­ется еще понятие цели движения, поставленной заранее человеком. Она является доминирующим понятием, по­скольку движением управляют исключительно ради до­стижения цели (решения поставленной задачи).

Методы целенаправленной механики были приме­нены для описания движения тела человека и для по­строения антропоморфного робота — манипулятора, обладающего элементами искусственного интеллекта. При помощи данного метода построена также теория процесса письма, работы на пишущей машинке или кнопочном пульте управления, а также теория совме­стных движений зрительного аппарата и руки при выполнении различных задач.

Для решения указанных задач разработаны нели­нейные модели. Однако практическая их реализация сопряжена с некоторыми трудностями. Одна из них состоит в том, что модели оператора имеют много степеней свободы, что затрудняет составление уравнений движения и их решение. Другая трудность обусловле­на недостатком данных по анатомии и динамической антропометрии мускульного аппарата человека. Пре­одоление этих трудностей создаст большие возможно­сти для адекватного описания двигательных функций человека-оператора с помощью методов целенаправ­ленной механики.

14.3. Антропометрические характеристики

Весьма тесно с характеристиками управляющих движений связаны антропометрические характеристи­ки. Они включают различные размеры человеческого тела. Антропометрические характеристики делятся на динамические и статические (рис. 14.4).

Рис. 14.4. Классификация антропометрических характеристик.

К динамическим характеристикам относятся амп­литуды движений головы, рук и ног. Они используют­ся для определения объема рабочих движений, зон досягаемости и видимости. По ним рассчитывается пространственная организация рабочего места, размах движений вращающихся переключателей, биомехани­ческие модели и манекены. Основные из динамичес­ких характеристик приведены в табл. 14.6.

Таблица 14.6