Основы проектирования СЧМ

Проектирование систем "человек - машина" занимает видное место в работах по инженерной психологии (см. Основы инженерной психологии, 1986. С. 196-275; Зинченко, Мунипов, 1979. С. 210-292 и др.). Само проектирование СЧМ традиционно анализируется по основным блокам: средства отображения информации (сокращенно - СОИ), органы управления или средства ввода информации (сокращенно - СВИ), рабочее место оператора. Рассмотрим каждый из этих блоков подробнее.

Средства отображения информации (СОИ). Сами СОИ различаются по следующим критериям:

по способу использования СОИ: контрольные, быстрые ("да-нет"); качественные (насколько возрастает или падает параметр); количественное чтение информации (численные значения в аналоговой или цифровой форме) - это для больших СОИ;
по форме сигнала: цифровые, буквенные, фигурные;
по степени детализации: интегральные или детальные.

Выделяются основные подходы в совершенствовании СОИ (см. Основы инженерной психологии, 1986. С. 228-230):

структурно-психологический (в основе - статистика, позволяющая выбирать наиболее оптимальные стратегии, совершать предпочтительные выборы при построении информационных образов объекта);
системно-лингвистический (построение оптимальных языков, диалоговых систем);
графоаналитический (табличное программирование, экспертная оценка, теория графов - строится "картинка" распределения потоков информации).

Перспективные подходы в совершенствовании СОИ:

разработка многоканальных (многофункциональных) индикаторов;
разработка полисенсорных (полимодальных) СОИ, т.е. воздействующих на различные органы чувств;
объемное отображение информации ("плюс" - со стереоскопическим эффектом);
разработка индикаторов с возможностью предсказания дальнейшего развития процесса - выход на совместное принятия решения человеком и машиной.

Органы управления или средства ввода информации - СВИ.
В основу типологии СВИ также могут быть положены разные критерии:

по характеру движений человека различают: простые, повторяющиеся, высокоточные;
по назначению выделяют: оперативные, периодические, эпизодические;
по конструктивному исполнению: кнопки, тумблеры, педали.

На основании специальных замеров и испытаний выделяются требования к отдельным типам органов управления, к совместному расположению индикаторов и органов управления, к системам ввода информации (к клавиатурам). Например, выделяются следующие принципы совместного расположения индикаторов и органов управления:

функциональное соответствие (каждой подсистеме СЧМ - свой блок-панель на общем пульте управления);
объединение (использование однотипных элементов контроля и управления - оптимизация количества информации);
совмещение стимула и реакции, что обеспечивает последовательность действий, соответствие общему алгоритму управления - пример про компьютер (ноутбук и обычный);
важность и частота использования (наиболее важные органы управления - в наиболее удобном месте).

Также на основании специальных замеров и испытаний выделяются общие требования к системам ввода информации - СВИ (к клавиатурам):

клавиши должны соответствовать характеру решаемых задач и соответствовать психофизиологическим характеристикам человека-оператора;
расположение клавиш - оптимальное (минимум рабочих движений оператора);
компактность клавиатуры и ее умещаемость в зоне моторного контроля (даже в условиях постоянного усложнения СЧМ и увеличения алфавита вводимых символов). Выделяются также основные правила экономии рабочих движений, которые важно учитывать при проектировании разнообразных органов управления (см. Зинченко, Мунипов, 1979. С. 292):

при движении двумя руками - одновременность, симметричность и противоположность по своей направленности (все это обеспечивает равновесие тела);
простота движений, их плавность и закругленность; необходима минимизация самого количества движений;
траектория - в пределах рабочей зоны оператора;
движения должны соответствовать анатомии руки и находиться в зоне зрительного контроля;
рабочие движения должны быть ритмичными;
привычность движения для работника (следует учитывать ранее сформированные двигательные навыки);
при возникновении малых сопротивлений - должны включаться малые группы мышц, при больших сопротивлениях - большие группы (т.к. требуются большие усилия);
необходимо по возможности использовать кинетическую (двигательную, инерционную) энергию самого объекта работы.

Выявлена более оптимальная организация при выполнении различных рабочих движений. В частности, там, где больше требуются быстрые движения, рекомендуется учитывать следующие особенности

где требуется быстрая реакция, более предпочтительны движения к себе;
в горизонтальной плоскости скорость рук быстрее, чем в вертикальной;
наибольшая скорость руки - сверху вниз, наименьшая - от себя снизу вверх;
скорость больше слева - направо (для правой руки и для правшей);
вращательные движения быстрее, чем поступательные;
плавные криволинейные движения рук быстрее, чем прямолинейные с внезапным изменением направления (чем резкие и угловатые);

Там, где требуются более точные движения, рекомендуется учитывать, что:

более точные - в положении сидя (чем стоя);
при движении в вертикальной плоскости ошибок меньше, чем в горизонтальной.

Рабочее место оператора является третьим блоком, анализ которого важен при проектировании и оптимизации систем "человек - машина".
Основные условия проектирования рабочего места оператора:

достаточное рабочее пространство для оператора;
достаточные физические, зрительные и слуховые связи между работниками;
оптимальное размещение рабочих мест в помещении, а также безопасные и удобные проходы;
необходимое естественное и искусственное освещение;
допустимый уровень акустического шума и вибрации;
необходимые средства защиты от опасных и вредных производственных факторов (физических, химических, биологических и психофизиологических).

Оптимизация рабочего места оператора предполагает:

выбор целесообразного рабочего положения (сидя, стоя);
рациональное размещение индикаторов и органов управления;
обеспечение оптимального обзора элементов рабочего места;
соответствие рабочего места различным характеристикам работника;
соответствие информационных потоков возможностям человека по их приему и переработке;
обеспечение условий для кратковременного отдыха в процессе работы.

Выделяются также оптимальные рабочие позы оператора:

положение "стоя" более естественно для человека (но при длительной работе стоя человек утомляется быстрее), поэтому необходимо предусмотреть возможность изменения рабочей позы;
нормальная поза в положении "стоя", когда не требуется наклоняться вперед более, чем на 15^о;
наклоны назад и в сторону (при работе стоя) нежелательны;
положение "сидя" имеет много преимуществ (разгружаются многие системы органов), но длительное сидение тоже нежелательно, из-за нагрузки на таз, и поэтому также лучше предусмотреть смену поз.

В качестве примера можно привести основные требования к рабочему сиденью оператора:

сиденье оператора должно обеспечивать позу, способствующую уменьшению статичной работы мышц;
сиденье должно обеспечивать возможность для изменения рабочей позы;
оно не должно затруднять деятельность различных систем организма (дыхательной системы, сердечно-сосудистой, пищеварительной) и не вызывать болезненных ощущений;
глубина сиденья не должна быть чрезмерно большой;
должно быть обеспечено свободное перемещение сиденья относительно рабочих поверхностей (в том числе желательно обеспечить вращение сиденья);
важно предусмотреть возможность регулирования высоты, угла наклона спинки, высоты спинки;
важно учесть требования безопасности (общие и частные, в зависимости от конкретного места работы оператора);
желательно использовать на сидениях полумягкую обивку, но не скользкую, неэлектризирующуюся, воздухопроницаемую, влагоотталкивающую (кроме случаев с особыми условиями производства, где сиденья могут быть только деревянными) и т.п.

Можно выделить общую схему инженерно-психологического проектирования (см. Основы… , 1986. С. 196-346):
1. Анализ характеристик объекта управления: анализ статистических характеристик; анализ динамических характеристик; определение целей и задач системы.
2. Распределений функций между человеком и техникой: анализ возможностей человека и техники; определение критерия эффективности системы; определение ограничивающих условий; оптимизация критерия эффективности.
3. Распределение функций между операторами: выбор структуры группы; определение числа рабочих мест; определение задач на каждом рабочем месте; организация связи между операторами.
4. Проектирование деятельности конкретного оператора: определение структуры и алгоритма деятельности; определение требований к характеристикам человека (ПВК); определение требований к обученности; определение допустимых норм деятельности.
5. Проектирование технических средств деятельности операторов: синтез информационных моделей; конструирование органов управления; общая компоновка рабочего места.
6. Оценка системы "человек - машина": оценка рабочего места и условий деятельности; оценка характеристик деятельности оператора; оценка эффективности системы в целом.
Различными авторами предлагаются и иные варианты оптимизации систем "человек - машина". Например, Д. Босман разрабатывает системный подход к проектированию социотехнических систем (см. Леонова, Чернышева, 1995. С. 39-60). Д. Босман пишет: "Социо-технические системы представляют собой некоторую совокупность технических средств, процедур и правил, выполняющих заданную работу под управлением и контролем человека" (Там же. С. 39).

Само системное проектирование предполагает (по сравнению с более простым проектированием), что:

разработка простых систем ("технология операциональной разработки") осуществляется через постепенное увеличение функций и проверки эффективности на основе опыта;
для более сложных систем более адекватным является подход под названием "компьютерная метафора". В основе - разделение целого на части, которые еще способны воспринимать управляющие воздействия оператора (т.е. основная функция разбивается на подфункции) - все это еще на этапе анализа (выделения подфункций). На этапе синтеза (собственно проектирования) - акцент на внедрение, где необходим постоянный контроль за эффективностью нововведений - частые повторы, пробы ("повторение - основа проектирования");
основные этапы процесса разработки и проектирования сложных систем: исследование; анализ и планирование; техническое проектирование; испытания; введение в эксплуатацию.

Важным для проектирования различных социотехнических систем является учет индивидуальных характеристик оператора. Традиционно многие авторы используют схему составления индивидуальных характеристик оператора, предложенную Хопкиным (см. Леонова, Чернышева, 1995, с.55). Для оценки особенностей оператора в данной схеме выделяются 15 групп характеристик:

Биографические данные: возраст, пол, национальность, опыт работы, выполняемая ранее работа.
Физические и физиологические характеристики: здоровье, физическая сила, выносливость, стрессоустойчивость.
Требования к сенсорным системам (включая "интермодальное взаимодействие").
Требования к когнитивным процессам: скорость, точность, способность к опознаванию в различных сенсорных модальностях.
Требования к обработке информации.
Требования к психомоторике: мышечная координация, ловкость, манипулятивные способности, реакция на стимул.
Требования к семантическим системам: умение говорить и понимать речь, беглость речи, ясность выражения мысли.
Знания и умения: фундаментальные знания, практические знания, обучаемость, способность применять знания, мастерство в работе, практические суждения.
Требования к образованию: базовое и квалификационное образование, дополнительная квалификация, последнее достижение, посещение курсов переподготовки, планы на будущее в области образования.
Требования к познавательным и мыслительным процессам: общая культура; вербальные, числовые, пространственные, механические способности и склонности; умение учиться на ошибках, способность не обращать внимания на обиды.
Требования к качеству исполнения: скорость и точность ассоциаций; перцептивные, интеллектуальные, психомоторные функции; целеполагание.
Индивидуальные требования: основные черты личности, специфические черты личности, индивидуальный профиль, внешний вид и привычки.
Социальные требования: способность работать в команде, такт, готовность к лидерству, мораль, отношение к руководству и подчиненным.
Мотивация и интересы: поведение, потребность в сложных задачах, готовность прилагать дополнительные усилия в работе.
Эмоциональные требования: эмоциональная стабильность, настойчивость, устойчивость к смене условий труда, реакция на стресс и скуку.

Чем принципиально отличается эргономическое (инженерно-психологическое) проектирование от любого другого вида проектирования, например, от инженерного проектирования? - Е.Б. Моргунов выделяет два таких основных отличия:

при эргономическом проектировании "производится тщательный анализ не только прототипного устройства или программного комплекса, но и прототипной деятельности пользователя";
перед тем, как писать программу, имеет смысл сопоставить режимы, в которых выполняет работу специалист, и их усовершенствование в ходе исторического развития профессии.

Все это предполагает постоянное совершенствование проектируемых комплексов в сотрудничестве психолога-эргономиста с пользователем - по принципу: "чем раньше будет исправлена ошибка, тем качественнее станет конечный продукт" (Моргунов, 1994. С. 185-186).