Физиологические методы в инженерной психологии и эргономике.
Физиологические методы и причины их использования в инженерной психологии и эргономике. Физиологические характеристик человека, используемые в инженерной психологии и эргономике: электро-энцефалограмма, электромиограмма, кожно-гальваническая реакция, электрокардиограмма , электроокулограмма, пневмограмма, речевой ответ, спирометрия, динамометрия, пульсометрия, плетизмография, актография. Общая специфика использования физиологических методов в инженерной психологии и эргономике.
Физиологические методы применяются в инженерной психологии для изучения функционального состояния оператора в процессе трудовой деятельности, для определения реакции различных систем организма на ее выполнение.
Применение физиологических методов в инженерной психологии обусловлено следующими обстоятельствами:
1) Физиологические характеристики имеют важное значение для контроля состояния оператора;
2) Любое психологическое проявление имеет физиологическую основу;
3) В клинической практике и физиологии труда накоплен определенный опыт обработки и анализа физиологических характеристик, а также имеется богатый арсенал приборов для проведения физиологических измерений.
К числу физиологических характеристик, измерение которых наиболее часто используется в инженерной психологии, относятся:
• электроэнцефалограмма,
• электромиограмма,
• кожно-гальваническая реакция,
• электрокардиограмма,
• электроокулограмма,
• пневмограмма,
• речевой ответ.
1) Электроэнцефалограмма (ЭЭГ) характеризует биоэлектрическую активность головного мозга.
В спектре ЭЭГ содержатся различные составляющие:
· дельта-ритм (частота колебаний 0,5–4,0 Гц),
· тета-ритм (5,0–7,0 Гц),
· альфа-ритм (8,0–12,0 Гц),
· бета-ритм (15–35 Гц),
· гамма-ритм (35–100 Гц).
Преобладание низкочастотных колебаний (дельта- и тета-ритмы) свидетельствует о наступлении тормозного процесса (сон, ослабление бдительности и внимания, утомление и т. п.).
Наличие альфа-волн характеризует состояние нормальной синхронизации основных нервных процессов. Они являются доминирующими у здорового, бодрствующего человека, находящегося в состоянии оперативной готовности к деятельности.
Преобладание высокочастотных колебаний указывает на процесс возбуждения в коре головного мозга. Это бывает характерным при возникновении психофизиологической напряженности во время работы, а также свидетельствует о возникновении эмоциональных состояний.
Помимо ЭЭГ биоэлектрическая активность головного мозга характеризуется также вызванными потенциалами (ВП), возникающими в ответ на внешнее воздействие и в относительно строгой связи с ним.
Одной из разновидностей ВП является реакция навязывания ритма – следование колебаний биопотенциала за частотой ритмического раздражителя. Метод ВП используется при изучении восприятия, внимания, интеллекта, функциональной асимметрии мозга.
Для анализа функционального состояния головного мозга используется также магнитоэнцефалограмма (МЭГ), которая представляет собой регистрацию параметров магнитного поля человека.
Одним из новейших и весьма перспективных методов изучения функционального состояния головного мозга является компьютерная томография (КТ). С его помощью можно получить информацию об изменении активности мозга при различных видах психической деятельности.
Дальнейшим развитием КТ является томография с использованием эффекта ядерного магнитного резонанса (ЯМР-томография) и позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ).
Эти методы требуют сложного дорогостоящего оборудования, но они являются наиболее перспективными способами изучения головного мозга.
2) Электромиограмма (ЭМГ) представляет собой регистрацию биоэлектрических потенциалов мышц человека, что является весьма чувствительным объективным показателем включения их в динамическую или статическую работу. Такой анализ необходим при изучении рабочей позы и управляющих движений оператора, утомления человека т. .к.. при утомлении уменьшается суммарная активность мышц и средняя амплитуда колебаний.
Кроме того с помощью ЭМГ можно судить о степени эмоционального возбуждения при нервно-напряженной работе человека. В этом случае запись ЭМГ ведется обычно с неработающих мышц, обнаруживающих тем большую активность, чем выше напряженность работающего человека (от лестничных мышц шеи, мышц лба и предплечья).
3) Кожно-гальваническая реакция (КГР) характеризует изменение электрического сопротивления или разности потенциалов кожи.
КГР является одним из наиболее результативных способов регистрации возникновения эмоциональной напряженности у оператора.
При возникновении этого состояния у человека наблюдается падение электрического сопротивления кожи или увеличение разности потенциалов между двумя точками кожной поверхности (от 10–30 мВ/см в нормальном состоянии до 100 мВ/см и более при возникновении эмоциональной напряженности).
4) Электрокардиограмма (ЭКГ) представляет собой регистрацию электрических явлений, возникающих в сердечной мышце.
В инженерной психологии ЭКГ используется для определения напряженности работы оператора. Для этого измеряются: частота сердечных сокращений, систолический и гистографический показатели. При возникновении напряженности в работе оператора рассмотренные показатели ЭКГ, как правило, увеличиваются.
5) Электроокулограмма (ЭОГ) характеризует электрическую активность глазных мышц. Обычно используется раздельная регистрация вертикальных и горизонтальных движений глаз. При этом знак потенциала ЭОГ указывает направление перемещения взгляда, а его величина – угол перемещения.
ОГ применяется для анализа работы зрительной системы оператора со средствами отображения информации, для анализа распределения и переключения внимания оператора в процессе работы и других целей.
При обработке ЭОГ анализируются количество движений и миганий в единицу времени, амплитуда и длительность движений (перемещений взгляда), а также длительность фиксаций взгляда.
Ранее для регистрации движения глаз использовался оптический метод. На глаз с помощью присоски крепилось зеркальце, и блик от него фиксировался на фотокимографе. Присоска вызывает дискомфорт, но этот метод до сих пор иногда используют в академических целях, потому что он очень точный. Затем широкое распространение получила электроокулография.
Сейчас на смену электроокулографии пришли приборы, называемые «ай-трекерами» (eye tracker), построеные по принципу видеоокулографии.
Eye tracking – это система регистрации движения глаз, которую еще иначе называют видеоокулографией, и бывает она двух типов. Первый тип – это так называемые «носимые» системы, которые надеваются на голову в виде больших очков или специальных оптических устройств. На голове человека монтируется некая система – видеокамера, направленная вперед, фиксирует обстановку перед ним, глаз подсвечивается слабым или инфракрасным источником света, отраженный от глаз блик образует световую метку, которая через оптические световоды микшируется в видеосигнал от камеры.
6) Пневмограмма (ПГ) представляет собой запись параметров внешнего дыхания человека. Она используется для оценки психофизиологической напряженности, возникающей у человека при выполнении той или иной деятельности.
В состоянии возбуждения или напряжения частота дыхания увеличивается до 50–60 вдохов в минуту, наблюдается также уменьшение глубины дыхания и укорочение фазы выдоха относительно фазы вдоха.
7) Речевой ответ (РО)изучается по спектральным и временным характеристикам речи оператора. По изменению интонации голоса, которая сопровождается изменением спектрального состава звуковых колебаний, можно судить о возникновении эмоциональных состояний оператора, напряженности и утомления в его работе.
Информация об этих состояниях содержится также и во временных параметрах РО. Например, при развитии утомления увеличиваются длительность произнесения слов и пауз между ними, а также их дисперсии.
Все рассмотренные методы достаточно широко используются в инженерно-психологических исследованиях. Но кроме них для исследования деятельности оператора при проведении эргономических исследований используются также и другие методы. К ним прежде всего относятся:
· спирометрия,
· динамометрия.
· пульсометрия,
· плетизмография,
· актография,
8) Спирометрия представляет собой метод исследования жизненной емкости легких путем измерения объема выдыхаемого воздуха; этот метод используется для характеристики непроизвольных сдвигов уровня активации в ходе, например, суточного цикла работы. Для ее проведения используют специальные приборы: спирометры или спирографы.
9) Динамометрия позволяет на основе измерения величины усилий, которые может показать человек, оценить мышечное утомление, статическую и динамическую выносливость, а также величину волевого усилия.
10) Пульсометрия заключается в измерении частоты пульса. Ее изменение интегрально отражает различные стороны психофизиологического напряжения: мышечного, терморегуляторного, нервно-эмоционального и др. Поэтому частота пульса при осуществлении той или иной деятельности может использоваться для оценки сложности выполняемых трудовых операций. Увеличение частоты пульса наблюдается при мышечной работе, эмоциональном возбуждении и в меньшей степени при выполнении напряженной умственной деятельности. В момент выраженного напряжения частота пульса (частота сердечных сокращений) может достигать 150 – 180 ударов в минуту.
11) Плетизмография представляет собой методику регистрации сосудистых реакций организма и заключается в определении изменения объема органов человека, зависящих от состояния кровеносных сосудов.
П. пользуются при изучении функционального состояния сердечно-сосудистой системы, изменений распределения крови в организме при физической и умственной работе, утомлении, различных эмоциях, а также под влиянием тепла, холода, тактильных и др.
12) Актография– метод автоматической регистрации двигательной активности человека во времени. Различают общую и дифференцированную актографию. Первая обеспечивает регистрацию двигательной активности организма в целом (общая активность), вторая – регистрацию специфической двигательной активности (например, тремор). Актография осуществляется при помощи специальных тензодатчиков, которые преобразуют механические параметры движений регистрируемые электрические сигналы. Актография – хороший индикатор определения утомления и напряженности оператора, она позволяет бесконтактно получать информацию о его функциональном состоянии.
Наиболее известной разновидностью дифференцированной актографии является оценка тремора.
Тремор – это непроизвольные ритмические мышечные сокращения, вызывающие колебательные движения конечностей человека. Он постоянно сопровождает произвольные движения и поддержание статической позы тела. Тремор усиливается при утомлении, а также при переживании сильных эмоций. По величине тремора можно определить наличие у оператора этих явлений. Для оценки тремора используются различные методы: прямые и косвенные. Одним из наиболее распространенных является метод, основанный на исследовании сенсомоторной координации оператора при прослеживании им криволинейного контура.
Электрофизиологические методы (регистрация кардиограммы, пульса, дыхания, кожно-гальванической реакции и т. п.) позволяют обеспечить непрерывность контроля, они просты в реализации. Однако они требуют установки на теле операторов датчиков или электродов, что создает неудобства, отвлекает и мешает его работе. В инженерно-психологических исследованиях в подавляющем большинстве случаев эти методы не имеют самостоятельного значения, а используются, как правило, в сочетании с психологическими и другими методами, в определенной степени дополняя их.
10. Система «человек – машина»
Определение СЧМ. Структурная схема СЧМ и описание процесса ее функционирования. Понятие информационной и концептуальной модели. Виды СЧМ, выделяемые по целевому назначению (управляющие, обслуживающие, обучающие, информационные, исследовательские), по характеристи-кам человека (моносистемы, полисистемы), по характеристикам машинного компонента (инструментальные, простые, сложные, системотехнические комплексы), по типу взаимодействия человека и машины (непрерывного взаимодействия, эпизодического взаимодействия). Специфические особенности СЧМ (динамичность, целеустремленность, адаптивность, самоорганизуемость). Показатели качества СЧМ.
Система «человек-машина» – это система, состоящая из человека-оператора ( или группы операторов) и машины (технических устройств), посредством которой оператор осуществляет трудовую деятельность.
Структурная схема СЧМ:
Рецепторы
(органы чувств)
Центральная
нервная
система
Эффекторы
(органы движения)
Средства
отображения
информации
Информационно-логические и вычислительные
устройства
Органы
управления
Управляемый объект
Система функционирует следующим образом. Управляемый объект управления (УО) динамичен, он претерпевает постоянные изменения. Информация о его изменениях поступает в информационно-логические, вычислительные и др. устройства, обеспечивающие заданную степень автоматизации управления. После соответствующей обработки информация о состоянии УО предъявляется человеку-оператору на средствах отображения информации (индикаторах). Следовательно, оператор воспринимает не непосредственно состояние УО, а некоторый имитирующий его образ (отображение), называемое информационной моделью.
Информационная модель – это совокупность всех сигналов, несущих человеку-оператору информацию о состоянии объекта управления, организованная определенным образом.
На основе восприятия информационной модели в сознании оператора формируется образ состояния УО (представление о реальном объекте, созданное на основе информации, входящей в информационную модель), который называют концептуальной моделью.
Целевое назначение системы оказывает определяющее влияние на многие ее характеристики и поэтому является исходным признаком. По целевому назначению можно выделить следующие классы СЧМ:
· управляющие, основной задачей человека является управление машиной;
· обслуживающие, человек контролирует состояние системы, настройку, ремонт;
· обучающие, т. е. вырабатывающие у человека определенные навыки;
· информационные, обеспечивающие поиск, накопление или получение необходимой для человека информации;
· исследовательские, используемые при анализе тех или иных явлений, поиске новой информации, новых заданий.
По признаку характеристики человека СЧМ:
· моносистемы, в состав которых входит один человек и одно или несколько технических устройств;
· полисистемы, в состав которых входит некоторый коллектив людей и взаимодействующие с ним одно или комплекс технических устройств.
По характеристикам машинного компонента можно выделить:
· инструментальные СЧМ - инструменты и приборы. Отличительной особенностью, является требование высокой точности выполняемых человеком операций.
· простейшие человеко-машинные системы-включают стационарное или нестационарное техническое устройство и человека, использующего это устройство;
· сложные человеко-машинные системы- включают помимо использующего их человека некоторую совокупность технологически связанных, но различных по своему функциональному назначению аппаратов, устройств и машин, предназначенных для производства определенного продукта;
· системотехнические комплексы- представляют собой сложную техническую систему с не полностью детерминированными связями и коллектив людей, участвующих в ее использовании.
По типу взаимодействия человека и машины СЧМ:
· системы непрерывного взаимодействия ( «водитель - автомобиль»)
· эпизодического взаимодействия, которые могут быть регулярнoгo (система «оператор - ЭВМ») и стохастического(«наладчик - станок») типа.
Специфические особенности СЧМ:
· динамичность–способность измененять во времени состава структуры и (или) взаимосвязей между компонентами;
· целеустремленность– способность преследовать одну и ту же цель, изменяя свое поведение при изменении внешних условий;
· адаптивность - способность приспосабливаться к изменяющимся условиям работы за счет изменения режима функционирования в соответствии с новыми условиями;
· самоорганизуемость - способность систем уменьшать энтропию (неопределенность) после вывода их из устойчивого, равновесного состояния под действием различного рода возмущений;
Показатели качества СЧМ:
· быстродействие СЧМ- определяется временем прохождения информации по замкнутому контуру «человек - машина».
· точность работы оператора-определяется степенью отклонения некоторого параметра, измеряемого, устанавливаемого или регулируемого оператором, от своего истинного, заданного или номинального значения.
· надежность СЧМ-характеризует безошибочность (правильность) решения стоящих перед СЧМ задач.
· степень автоматизации СЧМ-характеризует относительное количество информации, перерабатываемой автоматическими устройствами.
· безопасность труда человека в СЧМ-оценивается вероятностью безопасной работы.
· экономический показатель-характеризует полные затраты на систему «человек - машина».
· эргономические показатели-учитывают совокупность свойств системы «человек - машина», обеспечивающих возможность осуществления в ней деятельности человека (группы людей).
· эффективность СЧМ-степень приспособленности системы к выполнению возложенных на нее функций.
11 Оператор в системе «человек – машина».
Сущность понятия «человек-оператор». Деятельность оператора, как исходный пункт анализа и проектирования систем «человек–машина». Особенности деятельности оператора. Структура деятельности оператора и содержание ее основных этапов. Факторы, влияющие на деятельность оператора. Виды операторской деятельности. Сравнительная характеристика возможностей человека и машины.
«Человек-оператор» - человек, трудовая деятельность которого заключается во взаимодействии с органами управления каким-либо процессом на основе его информационной модели.
Деятельность оператора имеет ряд особенностей, определяемых следующими тенденциями развития современного производства:
1. С развитием техники увеличивается число объектов (и их параметров), которыми необходимо управлять. Это усложняет и повышает роль операций по планированию и организации труда, по контролю и управлению производственными процессами.
2. Развиваются системы дистанционного управления. Человек все более удаляется от управляемых объектов, о динамике их состояния он судит не по данным непосредственного наблюдения, а на основании восприятия сигналов от устройств отображения информации.
Осуществляя дистанционное управление, человек получает необходимую информацию в закодированном виде (т. е. в виде показаний счетчиков,индикаторов, измерительных приборов и т. д.), что обусловливает необходимость декодирования и мысленного сопоставления полученной информации с состоянием реального управляемого объекта.
3. Увеличение сложности и скорости течения производственных процессов выдвигает повышенные требования к точности действий операторов, быстроте принятия решений, осуществлении управленческих функций.
В значительной мере возрастает степень ответственности за совершаемые действия, поскольку ошибка оператора может привести к нарушению работы всей системы «человек — машина», создать аварийную ситуацию с угрозой для жизни работающих людей.
Поэтому работа оператора в современных человеко-машинных комплексах характеризуется значительными увеличениями нагрузки на нервно-психическую деятельность человека, а основным критерием тяжести труда становится не физическая тяжесть труда, а его нервно-психическая напряженность.
4. В условиях современного производства изменяются условия работы человека. Для некоторых видов деятельности оператора характерно ограничение двигательной активности, которое не только проявляется в общем уменьшении количества мышечной работы, но и связано с преимущественным использованием малых групп мышц.
Иногда оператор должен выполнять работу в условиях изоляции от привычной социальной среды, в окружении бездушных технических устройств. И если эти устройства спроектированы без учета психофизиологических особенностей оператора, то возникает ситуация, которую образно называют «конфликтом» человека с приборами.
5. Повышение степени автоматизации производственных процессов требует от оператора высокой готовности к экстренным действиям. При нормальном протекании процесса основной функцией оператора является контроль и наблюдение за его ходом. При возникновении нарушений оператор должен осуществить резкий переход от монотонной работы в условиях «оперативного покоя» к активным, энергичным действиям по ликвидации возникших отклонений. Это приводит к возникновению сенсорных, эмоциональных и интеллектуальных перегрузок.
Рассмотренные особенности операторского труда позволяют выделить его в специфический вид профессиональной деятельности, в связи с чем для его изучения, анализа и оценки недостаточно классических методов, разработанных психологией и физиологией труда и используемых для оптимизации различных видов работ, не связанных с дистанционным управлением по приборам.
Деятельность оператора в системе «человек — машина» может носить самый разнообразный характер. Несмотря на это, в общем виде она может быть представлена в виде четырех основных этапов:
Прием информации.На этом этапе осуществляется восприятие поступающей информации об объектах управления и тех свойствах окружающей среды и СЧМ в целом, которые важны для решения задачи, поставленной перед системой «человек — машина».
При этом осуществляются такие действия, как обнаружение сигналов, выделение из их совокупности наиболее значимых, их расшифровка и декодирование; в результате у оператора складывается предварительное представление о состоянии управляемого объекта: информация приводится к виду, пригодному для оценки и принятия решения.
Оценка и переработка информации. На этом этапе производится сопоставление заданных и текущих (реальных) режимов работы СЧМ, производится анализ и обобщение информации, выделяются критичные объекты и ситуации и на основании заранее известных критериев важности и срочности определяется очередность обработки информации. На данном этапе оператором могут выполняться такие действия, как запоминание информации, извлечение ее из памяти, декодирование и т. п.
Принятие решения.Решение о необходимых действиях принимается на основе проведенного анализа и оценки информации, а также на основе других известных сведений о целях и условиях работы системы, возможных способах действия, последствиях правильных и ошибочных решений и т. д.
Время принятия решения существенным образом зависит от количества информации, которую должен переработать оператор для принятия решения.
Реализация принятого решения.На этом этапе осуществляется приведение принятого решения в исполнение путем выполнения определенных действий или отдачи соответствующих распоряжений. Отдельными действиями на этом этапе являются: перекодирование принятого решения в машинный код, поиск нужного органа управления, движение руки к органу управления и манипуляция с ним (нажатие кнопки, включение тумблера, поворот рычага и т. п.).
На качество и эффективность выполнения каждого из рассмотренных этапов оказывает влияние целый ряд факторов.
Так, например, качество приема информации зависит от вида и количества индикаторов, организации информационного поля, психофизических характеристик предъявляемой информации (размеров изображений, их светотехнических характеристик, цветового тона и цветового контраста).
На оценку и переработку информации влияют такие факторы, как способ кодирования информации, объем ее отображения, динамика смены информации, соответствие ее возможностям памяти и мышления оператора.
Виды операторской деятельности выделяют в зависимости от основной функции, выполняемой человеком-оператором, и удельного веса образного, понятийного и сенсомоторного компонентов, включенных в операторскую деятельность.
1. Оператор-технолог непосредственно включен в технологический процесс. Он работает в основном в режиме немедленного обслуживания. Преобладающими в его деятельности являются управляющие действия. Выполнение действий регламентируется обычно инструкциями, которые содержат, как правило, почти полный набор ситуаций и решений.
К этому виду относятся операторы технологических процессов, автоматических линий, операторы по приему и переработке информации и т. п.
2. Оператор-наблюдатель является классическим типом оператора, с изучения деятельности которого и началась инженерная психология. Важное значение для деятельности такого оператора имеют информационные и концептуальные модели, а также процессы принятия решения, его управляющие действия (по сравнению с оператором первого типа) несколько упрощены (операторы радиолокационной станции, диспетчеры на различных видах транспорта и т.д.).
3. Оператор-исследователь в значительно большей степени использует аппарат понятийного мышления и опыт, заложенные в концептуальную модель. Органы управления играют для него еще меньшую роль, а «удельный вес» информационных моделей, наоборот, существенно увеличивается (пользователи вычислительных систем, дешифровщики различных объектов (образов и т. д.).
4. Оператор-руководитель в принципе мало отличается от предыдущего типа, но для него механизмы интеллектуальной деятельности играют главенствующую роль, поэтому велики требования к его знаниям, опыту, воле, такту, интуиции(организаторы, руководители различных уровней, лица, принимающие ответственные решения в человеко-машинных комплексах и обладающие интуицией, знанием и опытом).
5. Оператор-манипулятор, для деятельности которого большое значение имеет сенсомоторная координация (например, непрерывное слежение за движущимся объектом) и моторные (двигательные) навыки (операторы управляющие роботами, манипуляторами, машинами-усилителями мышечной энергии человека (станками, экскаваторами, транспортными средствами и т. п.).
Эффективность работы систем «человек-машина» во многом зависит от того, как в ней распределены функции между человеком и машиной. Для решения этой задачи необходимо знать сравнительные возможности человека и машины.
Машина превосходит человека:
• по точности и скорости вычислений,
• по стабильности реакции» стимул-ответ»,
• по числу одновременно воспринимаемых и перерабатываемых сигналов,
• по продолжительности непрерывной работы,
• по способности к проверке выполненных действий.
Однако способы приема информации машиной ограничены, а методы переработки фиксированы, и их разнообразие значительно уступает тем, которые использует человек.
Человек также способен объединять отдельные сигналы в целостные структуры и тем самым находить экономные способы переработки информации.
Человек обладает рядом способностей, которые отсутствуют у машины, в их числе:
· cспособность к предвидению событий внешнего мира;
· способность решения нечетко сформулированных задач;
· способность к распознаванию ситуаций внешнего мира;
· способность ориентироваться во времени и пространстве;
· способность генерировать идеи;
· способность к повышению своих возможностей;
· способность работать в непредвиденных ситуациях;
· способность использовать избыточную информацию;
· способность к обобщению
· способность создания “абстрактных образов внешнего мира”
· и др.