НАДЕЖНОСТЬ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ЧЕЛОВЕКА В АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМАХ И ЕЕ КОЛИЧЕСТВЕННАЯ ОЦЕНКА

В. Ю. Щебланов, А. Ф. Бобров

Психологический журнал, 1990, Том 11, № 3. С. 60-69

Концептуальная модель надежности деятельности

Предлагается новая концептуальная модель оценки надежности деятельности человека в автоматизированных системах, включающих в качестве основных элементов результативность и психофизиологическую «цену» деятельности. Обосновывается метод количественного определения «цены» и надежности деятельности. Показывается, что указанный подход позволяет оценивать и прогнозировать индивидуальную надежность деятельности человека в автоматизированных системах.

Ключевые слова: автоматизированная система, надежность деятельности человека, «цена» деятельности, методы многомерного статистического анализа;

Возрастание роли человека в современном автоматизированном производстве способствует усилению интереса к оценке надежности самого слабого звена в системе «оператор — ЭВМ». Такая оценка, как правило, проводится в целях формирования требований к предпочтительным для конкретных условий трудовой деятельности качествам человека (акцентируется внимание на его физиологических и психологических особенностях); предсменного контроля готовности человека к выполнению данной деятельности, краткосрочного и долгосрочного прогнозирования надежности деятельности по его результатам; уточнения прогноза и выявления нежелательных сдвигов функционального состояния по данным текущего контроля в ходе трудовой деятельности для своевременного проведения реабилитационных мероприятий по коррекции функционального состояния организма; контроля влияния всей совокупности внешних факторов, свойственных условиям трудовой деятельности, на здоровье человека и надежность его деятельности.

Для изучения и анализа надежности деятельности человека необходимо сформировать концептуальную модель надежности деятельности, позволяющую не только адекватно описать все ее компоненты, но и предложить количественные методы оценки.

В настоящее время существует ряд определений понятия «надежность деятельности», разработанных применительно к выполнению человеком функций контроля и управления в системе «оператор — ЭВМ». Так, в эргономических исследованиях надежность деятельности рассматривается как «свойство человека, характеризующее его способность безотказно выполнять деятельность в течение определенного времени при заданных условиях» [18]. Из данного определения неясно, какие способности человека имеются в виду, почему из многоаспектного комплексного понятия «надежность деятельности» выделяется лишь одно свойство и, наконец, что принимать за безотказность выполнения деятельности. В отечественной инженерной психологии под надежностью дея-


Стр. 61

 

тельности оператора понимается его «свойство качественно выполнять трудовую деятельность в течение определенного времени при заданных условиях» [7]. Подобные определения неизбежно приводят к необходимости оценки надежности деятельности исключительно по результативности работы человека. При этом широко используются методы теории надежности, разработанные для технических систем [20]. Наибольшее развитие указанный подход получил в работах А. И. Губинского [6], в которых анализируется структура деятельности и определяются вероятностные характеристики деятельности для каждого этапа работы. На их основы вычисляется комплексный обобщенный показатель надежности деятельности. Очевидно, специфика человека как основного звена автоматизированных систем при таком подходе не учитывается.

В целом можно отметить, что попытки описать надежность взаимодействия человека с ЭВМ методами теории надежности, разработанными для технических систем, связаны с серьезными трудностями (например, при оценке и прогнозировании стратегии и результатов решения логических задач [14]). «Технизация» представлений о человеке в рамках используемых концепций надежности приводит в итоге к выработке формулировок, мало отличающихся от принятых в технике. Например, определение надежности биологических систем формулируется как свойство «выполнять определенные функции, сохраняя свои показатели в течение определенного времени» [13], что, на наш взгляд, в значительной степени упрощает сущность анализируемого явления.

Общим недостатком приведенных выше определений понятия «надежность» является то, что в них не учитываются принципиальные особенности биологических систем, которые адекватно не описаны в рамках классической теории надежности. К ним-относится способность организма повышать надежность путем использования охранительного торможения, достигать одинакового результата с помощью различных поведенческих реакций и других феноменов, основанных на реализации сугубо физиологических механизмов типа окклюзии и конвергенции. Следует подчеркнуть также широкие возможности организма человека компенсировать отказы технических систем посредством перехода на иные алгоритмы деятельности (так называемое функциональное резервирование) .

В свою очередь отказ в живой системе не сводится просто к отказу одной или нескольких ее составляющих (как это имеет место в технических системах [10]) вследствие бесконечного разнообразия уровней и путей регуляции процессов жизнедеятельности, способствующего сохранению качества системы, для которой характерны функциональные перестройки [25].

Возвращаясь к приведенным выше определениям надежности деятельности человека, следует указать, что их авторы, как и большинство исследователей в данной области, зачастую не только не отрицают важности психологических и физиологических аспектов проблемы, но и подчеркивают ее [7, 16]. Тем не менее эти положения недостаточно четко сформулированы в практике оценки надежности деятельности главным образом из-за существенно большей сложности, изменчивости и непрогнозируемости поведения человека по сравнению с техническим компонентом системы [21, 24]. Это вызывает серьезные затруднения при разработке критериев оценки надежности деятельности человека.

Из вышеизложенного следует, что в задачах определения надежности деятельности оператора необходимо использовать не только выходные параметры его работы, но и показатели, построенные как минимум с учетом психофизиологических характеристик человека. В подходе к оценке надежности деятельности мы присоединяемся к мнению авторов работы [19] о том, что в решении указанных задач из всех известных в настоящее время критериев, учитывающих в наибольшем объеме характеристики человека, важнейшее место отводится психофизиологической «цене» деятельности. В соответствии с этим в определении надежности деятельности мы учитывали два основных механизма ее формирования — результативность и психофизиологическую «цену» деятельности.


Стр. 62

 

Под надежностью деятельности мы понимаем способность человека выполнять предписанные функции с заданным качеством и своевременно при сохранении в допустимых пределах психофизиологической «цены» этой деятельности. Границы допустимых изменений последней устанавливаются по результатам специально проведенных экспериментов применительно к виду реализуемой деятельности и с учетом индивидуально-личностных особенностей контингента.

Структура концептуальной модели надежности деятельности, разработанной применительно к системе «человек — ЭВМ», приведена на рис. 1.

Посредством логических связей, изображенных на рис. 1, проиллюстрировано следующее положение; узловыми элементами представленной модели являются результативность деятельности и ее «цена», формирующие основу


Стр. 63

 

 для оценки надежности деятельности человека, взаимодействующего с ЭВМ. Из свойств личности (рассматриваемой как единство биологической конституции, социальной индивидуализации и особенностей психологической структуры) анализируются в соответствии с [1,9] главным образом те, которые преимущественно участвуют в достижении трудовой цели — обеспечения должной надежности деятельности. Эти качества (так называемые внутренние факторы) включают устойчивые личностные характеристики, особенности мышления, памяти и внимания, мотивацию, направленность на выполнение работы, профессиональную обученность, навыки и др. Они определяют состояние человека как системную ответную реакцию на действие внешних факторов [23]. Внешние (объективные) факторы подразделяются на аппаратурные (см. рис. 1, А, Б) и факторы производственной среды (см. рис. 1, В, Г).

Состояние функциональных систем человека находит отражение в динамике показателей результативности рабочей деятельности и ее психофизиологической «цены», которые в целом характеризуют надежность деятельности человека в данном классе систем.

Пунктиром на рисунке показаны обратные связи, обусловленные возможностью осознанного контроля выходных параметров рабочей деятельности и субъективным отражением ее «цены».

ФОРМУЛИРОВКА ПОНЯТИЯ «ЦЕНЫ» ДЕЯТЕЛЬНОСТИ

Наиболее существенными моментами при оценке надежности деятельности в рамках предлагаемой концептуальной модели являются определение психофизиологической «цены» деятельности и ее количественная оценка. «Цена» деятельности, как и ее надежность, не имеет в настоящее время общепринятого определения.

С самых общих позиций «цена» деятельности может рассматриваться как «цена адаптации» организма к внешним условиям среды, одним из компонентов которых является трудовая деятельность. «Цена адаптации» при этом определяется по степени напряжения регуляторных механизмов и величине израсходованных функциональных резервов организма [4]. С точки зрения принципов оптимальности [11] функционирования биологических систем под «ценой» понимается та «плата», которая позволяет существовать той или иной системе; при этом различаются «внутренняя» и «внешняя» цена. Под первой понимается метаболическая «цена», зависящая от расхода энергии и поддержания структуры и функции некоторого органа, под второй — «усилия» организма, направлен-* ные на его уравновешивание с внешней средой. За физиологическую «цену» также принимают рентабельность деятельности каждого из эффекторов или интегральной их совокупности в функциональной системе организма в расчете на единицу полезного эффекта системы [15]. А. Б. Леонова и В. И. Медведев [19] считают, что «цена» деятельности — это величина физиологических и пси-' хологических затрат, обеспечивающих выполнение задачи на заданном уровне. В ряде случаев в понятие «цена»» вкладывают не только характеристики состояний различных систем организма, но и показатели эффективности выполнения деятельности. Так, в [17] под «ценой» деятельности понимают отношение нервной и органической энергии, затраченной работающим человеком в единицу времени к производительности его труда. Общим для приведенных и ряда аналогичных определений является то, что они, в целом адекватно описывая различные стороны формирования понятия «цена» деятельности, не дают конструктивных методов ее количественной оценки.

Работа [3] является одной из немногих, в которой описывается способ количественной оценки «цены» деятельности. Предлагаемый в ней метод оценки стоимости результата («цены») деятельности заключается в вычислении отношения количественной оценки деятельности к обобщенному показателю напряженности труда, характеризуемого текущими значениями психофизиологиче-


Стр. 64

 

ских показателей состояния организма. Однако при таком подходе остается нерешенным вопрос о способе вычисления указанного обобщенного показателя напряженности труда.

Предлагаемая модель количественного определения «цены» деятельности состоит в следующем. Целенаправленную деятельность человека целесообразно рассмотреть с позиций теории функциональных систем П. К. Анохина [1]. Развиваемые в рамках этой теории принципы системного «квантования» поведения [15] позволяют в качестве системообразующего фактора выбрать биологическую и социальную потребность человека в ходе выполнения деятельности, а также возникающую на их основе мотивацию и различные стадии ее удовлетворения. Функционирование систем организма в процессе деятельности подчинено основной цели — достижению максимальной продуктивности деятельности, что в той или иной мере проявляется в изменении как показателей результативности деятельности, так и обеспечивающих данную деятельность систем организма. При этом, чем ближе значения показателей указанных систем организма к исходным, тем ниже «цена» деятельности. Более полно «цену» деятельности можно охарактеризовать, учитывая не только степень близости этих показателей к исходным, но и степень их удаления, от предельных значений. Последние оцениваются путем применения функциональных проб, доводящих организм (орган, систему) до предельных состояний. В качестве такой функциональной пробы может быть использована сама деятельность повышенной интенсивности. При этом «цена» деятельности будет тем ниже, чем ближе текущее значение показателей оцениваемых в процессе деятельности систем организма к исходным и дальше от предельных.

Таким образом, под «ценой» деятельности мы понимаем степень изменения в ходе деятельности соотношения между текущим, исходным и предельным состояниями функциональных систем организма, которые являются ведущими для обеспечения данной деятельности.

В качестве ведущих выступают системы, показатели функционирования которых наиболее тесно связаны с показателями результативности деятельности. Дело в том, что функциональное напряжение организма на фоне конкретной деятельности может более или менее равномерно распределяться между несколькими физиологическими системами либо охватывать лишь их отдельные звенья. Поэтому до определения «цены» деятельности необходимо установить,, какие именно функциональные системы и отражающие их работу показатели, регистрируемые в ходе исследования, в наибольшей степени корррелируют с показателями результативности деятельности. Последние в свою очередь зависят от уровня трудовой нагрузки.

Наиболее адекватным методом решения указанной задачи является канонический корреляционный анализ [8]. Он позволяет установить:  существование связи совокупности показателей результативности деятельности со всей совокупностью физиологических показателей, отражающих различные функции организма в ходе выполнения деятельности; 2) какое именно сочетание физиологических показателей (при наличии такой связи, оцениваемой коэффициентом канонической корреляции) обеспечивает выявленную связь. Таким образом появляется возможность не только оценить вклад каждой из физиологических систем в функциональный ответ организма на данную деятельность, но и получить интегральные показатели, называемые каноническими переменными, которые включают в себя физиологические показатели, наиболее коррелирующие с показателями выполняемой деятельности. Указанные интегральные показатели тем самым характеризуют общие свойства оцениваемых систем организма, связанные с физиологическим обеспечением деятельности.

Рассмотрим возможный метод количественного определения «цены» деятельности в рамках общей оценки ее надежности, построенный на основе описанной концептуальной модели.


Стр. 65

 

 


Стр. 66

 

 


Стр. 67

 

показатель общей результативности деятельности. При этом низким значениям Y2 соответствуют меньший путь и меньшее число шагов по лабиринту, высокая «целеустремленность» деятельности. Каноническая переменная Х2 отражает степень централизации управления ритмом сердца и как следствие напряжение регуляторных механизмов сердечно-сосудистой системы, которое тем больше, чем меньше показатели разброса длительности R—R-интервалов [4]. Низким значениям второй канонической переменной вегетативного обеспечения деятельности соответствуют низкая степень централизации управления ритмом сердца и более низкое напряжение регуляторных механизмов сердечно-сосудистой системы. Следовательно, чем результативней осуществляется операторская деятельность, тем меньшее напряжение сердечно-сосудистой системы наблюдается при этом. Выявленная связь подтверждается данными из литературы. Так, в работе [15] указывается, что при анализе соматовегетативного обеспечения результативной производственной деятельности рабочих разных квалификаций из показателей ритма сердца наиболее информативными оказались показатели его вариабельности. При этом у мастеров вариабельность ритма сердца достоверно больше, чем у учеников. То есть высокая результативность их деятельности осуществлялась при более низком напряжении регуляторных механизмов сердечно-сосудистой системы.

На рис. 2 показаны изменения в ходе деятельности интегральных оценок результативности, «цены» вегетативного обеспечения и надежности деятельности для двух операторов, рассчитанные по выражениям (2—4). За альтернативные состояния условно принимались «наилучшие» и «наихудшие» значения первичных показателей результативности деятельности и математического анализа ритма сердца у данных операторов в серии работ с моделью, которые отличались степенью напряженности операторской деятельности. Коэффициенты К1 и K2 в выражении (4) полагались равными соответственно двум и единице. По характеру изменения кривой надежности первого оператора, изображенной на рис. 2, А, можно условно выделить три участка, отмеченные на рисунке цифрами I, II и III. Первый (I) участок характеризует повышение надежности деятельности, которое достигается при снижении «цены» ее вегетативного обеспечения в начальный период деятельности; он отражает период «врабаты-ваемости» оператора. На втором (II) участке отмечаются стабилизация надежности деятельности и сохранение на относительно постоянном уровне показателей ее результативности и «цены». Надежность деятельности к концу эксперимента (участок III) снижается при повышении «цены» ее вегетативного обеспечения. Это объясняется утомлением данного оператора. Изменение надежности деятельности второго оператора (рис. 2, Б) имеет иной характер. По ее изменению можно также условно выделить три участка: I, II, III. В на-


Стр. 68

 

чальный период деятельности, как и в предыдущем случае, отмечается снижение «цены» ее вегетативного обеспечения. Однако одновременно происходит снижение ее результативности, что приводит к относительно постоянному уровню кривой надежности деятельности на участке I. На участке II отмечается резкое увеличение «цены» деятельности при неизменном уровне ее результативности, которое приводит к снижению надежности деятельности. Участок III характеризуется повышением результативности деятельности и как следствие повышением ее надежности. Он отражает известный феномен «конечного порыва», при котором в конце деятельности в ряде случаев отмечается повышение ее результативности [18].

Следует подчеркнуть, что при традиционной оценке надежности деятельности через ее результативность было бы невозможно выделить описанные характерные участки, поскольку результативность деятельности не имеет столь четких изменений, как кривая надежности, рассчитываемая с учетом «цены» деятельности. Аналогичные зависимости можно построить, исходя из других функций организма: состояния центральной нервной системы, функций внимания, мышления, оперативной памяти и др.

Предложена новая концептуальная модель надежности деятельности человека в автоматизированных системах, согласно которой надежность деятельности характеризуется не только ее результативностью, но и психофизиологической «ценой» достижения данного результата. Разработан метод количественной оценки психофизиологической «цены» и надежности деятельности. Реализация данного подхода в измерительно-вычислительных медицинских комплексах позволит оценивать и прогнозировать индивидуальную надежность деятельности человека в реальном масштабе времени, выявлять функции организма, напряжение которых повышает психофизиологическую «цену» деятельности и снижает ее надежность. Это позволит более целенаправленно планировать и осуществлять организационные и реабилитационно-восстановительные мероприятия, способствующие поддержанию на необходимом уровне функций организма, обеспечивающих данную деятельность. Таким образом, повысится надежность деятельности человека и всей автоматизированной системы в целом.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Анохин П. К. Системные механизмы высшей нервной деятельности // Избр. труды. М., 1979.

2. Афири А., Эйзен С. Статистический анализ: Подход с использованием ЭВМ: Пер. с англ. М., 1982.

3. Ахутин В. М. Адаптивные биотехнические системы // Психологические проблемы взаимной адаптации человека и машины в системах управления. М., 1980. С. 77—122.

4. Баевский Р. М. Прогнозирование состояний на грани нормы и патологии. М., 1979.

5. Баевский Р. М., Кириллов О. И., Клецкин С. 3. Математический анализ изменений сердечного ритма при стрессе. М., 1984.

6. Губинский А. И. Надежность и качество функционирования эргатических систем. М—Л., 1981.

7. Душков Б. А., Ломов Б. Ф., Рубахин В. Ф. Основы инженерной психологии. М., 1986.

8. Кендалл М. Д., Стьюарт А. Многомерный статистический анализ и временные ряды: Пер. с англ. М., 1976.

9. Ломов Б. Ф. Методологические и теоретические проблемы психологии. М., 1984.

10. Маньшин Г. Г., Барзилович Е. Ю., Воскобоев В. Ф. Методы профилактического обслуживания эргатических систем. Минск, 1983.

11. Розен Р. Принципы оптимальности в биологии. М., 1969.

12. Сайко Ю. В., Сенин А. С. Вопросы программного обеспечения комплексной оценки деятельности человека и физиологических параметров в процессе взаимодействия с ЭВМ // Физиология экстремальных состояний и индивидуальная защита человека: Тез: докл. 2-й Всесоюз. конф. М., 1986. С. 422.

13. Словарь физиологических терминов / Под ред. О. Г. Газенко. М., 1987.

14. Теория и эксперимент в анализе труда операторов /Под ред. В. Ф. Венды и В. А. Вавилова. М., 1983.

15. Функциональные системы организма. Руководство / Под ред. К. В. Судакова. М., 1987.

16. Хаккер. Инженерная психология и психология труда: Пер. с нем. М., 1985.

17. Чайнова Л. Д. Напряженность как ведущее функциональное состояние работающего человека //Эргономика. М., 1986. Т. 32. С. 8—19.

18.    Эргономика в определениях. Методические материалы / Под ред. В. М. Мунипова и др. М., 1980.


Стр. 69

 

19. Эргономика: принципы и рекомендации. Методическое руководство / Под ред. В. М. Мунипова и др. М., 1981.

20. Эффективность, качество и надежность эрготехнических систем: Тез. докл. М., 1981.

21. Green А. Е. Safety assessment of systems//IAEA Symposium on principles and standarts of reactor safery. Julich Germany, 1973.

22. Mahalanobis P. C. On the generalied distance in statistics // Proc. of the National Institute of Sciences of India. 1936. V. 12. P. 49—55.

23. Shaurou V. N., Scheblanov V. U. Systems analysis of human factors in man-machine interactions based on the concept of professional adaptation // Int. Zurich Seminar on Digital Communications Man-Machine Interaction. N. Y., 1982. P. 189—193.

24. Swain A. D. Design techniques for improving human performance in production. L., 1972.

25. Weaver R. E. C. Reliability, redunduncy and cascaded priorities in physiological systems // Generic techniques in systems reliability assessment. Leyden, 1976. P. 455—462.