CC BY
11УДК 004.5
ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДОВ ОПИСАНИЯ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЧЕЛОВЕКА С СИСТЕМОЙ В ЗАДАЧАХ ЭРГОНОМИЧЕСКОЙ ОЦЕНКИ
А.Н. Анохин
Русатом Автоматизированные системы управления, г. Москва апоккт@оЬп1тк. ги
Предметом статьи является применение различных подходов к моделированию взаимодействия человека с системой при решении задач эргономической экспертизы. Выполнена классификация этих задач и известных методов моделирования взаимодействия (деятельности) человека с системой. На простом примере показаны возможности и ограничения структурных методов моделирования деятельности, таких как обобщенный структурный метод, метод иерархического и табличного анализа задач. Показано, что метод структурного функционального анализа обладает большим потенциалом при решении эргономических задач. Демонстрируется, что ослабление степени формализации метода позволяет решать в ходе экспертизы творческие задачи, однако при этом существенно повышает зависимость результатов от квалификации и опыта эргономиста или эксперта предметной области.
Введение
Достижение хороших эргономических показателей изделия, человеко-машинного интерфейса (ЧМИ) или системы - результат совместного действия как минимум трех факторов:
• наличия продвинутой базы эргономических стандартов, руководств, учебников, удачной практики и т.п.;
• наличия высококвалифицированных разработчиков или конструкторов, мотивированных и способных выполнить качественный проект;
• наличия потребности в хорошей эргономике (например, высокой конкуренция на рынке данных изделий, высоких требований к безопасности или эффективности системы и др.).
В попытке соединить первые два фактора в 1980-е гг. родилось словосочетание «эргономическое проектирование» - правильное по сути, но дискуссионное по содержанию. Одна из точек зрения на данный подход состояла в том, что эргономист должен участвовать в процессе проектирования изделия, т.е. непосредственно предлагать проектные решения, что и станет залогом высокой эргономичности. Оппоненты же придерживались иной позиции - проектировать должен инженер-конструктор, опираясь на эргономические нормы, изложенные в стандартах и справочниках, а задача эргономиста - формулировать и обосновывать эти нормы.
Тем не менее, в дискуссиях о роли эргономиста в обеспечении эргономичности системы всегда существовал консенсус, состоящий в том, что его эффективное влияние на проект возможно через эргономическую экспертизу или оценку, выполняемую на разных стадиях жизненного цикла системы - от эскизного проекта до эксплуатации. Действительно, эргономическая оценка сегодня стала основным инструментом практикующего эргономиста. Однако оценка оценке рознь - все зависит от того, какую цель преследует экспертиза. Перечислим некоторые из этих целей по мере роста сложности их достижения.
1. Самая простая цель эргономической оценки - подтверждение того, что исследуемая система отвечает существующим эргономическим требованиям (нормам). При наличии соответствующих руководств по эргономике (устанавливающих, например,
что контраст должен быть не ниже определенного значения) и измерительных средств такая оценка является рутинной процедурой. Простейший способ решения этой задачи - использование контрольных листов. Примером более сложной процедуры является соматографический анализ, позволяющий на чертеже проверить соответствие размеров рабочего места антропометрическим характеристикам человека (пример применения такого анализа описан в [1]). Хуже, когда нормы не прописаны ни в руководствах, ни в технических требованиях к системе, однако этот случай мы здесь не рассматриваем.
2. Вторая задача экспертизы, с которой зачастую приходится сталкиваться эргономистам, это сравнение двух и более вариантов исполнения системы. Для решения этой задачи среди эргономистов популярны методы формирования комплексного интегрального показателя на основе частных измерений, причем в качестве измерительного инструмента зачастую выступают эксперты. Примерами методик такой оценки могут служить работы [2, 3]
3. Третья цель, которая может преследоваться в ходе эргономической оценки, это выяснение того, насколько надежно, своевременно, эффективно, безопасно и качественно сможет человек выполнять свои функции. Наиболее затратным способом достижения этой цели является экспериментальная валидация системы, что вполне возможно выполнить с помощью виртуальных или полномасштабных тренажеров, натурного прототипирования и других средств. Менее затратный и потому более распространенный подход - моделирование работы человека в системе. Большинство методов анализа надежности человека основаны на интеграции данных о надежности выполнения отдельных операций, поэтому первый шаг аналитика заключается в декомпозиции деятельности до того уровня детализации, для которого имеются справочные или экспериментальные данные о надежности. Наиболее популярными в среде отечественных аналитиков являются обобщенный структурный метод А.И. Губинского [6], методы, основанные на двоичных деревьях отказов - ТНЕКР [7] и др.
4. Наконец, четвертая, наиболее сложная задача, решаемая эргономистами в ходе экспертизы, заключается в поиске и формулировании возможных усовершенствований, улучшающих эргономические и даже потребительские качества системы или изделия. Эта задача носит творческий и даже изобретательский характер и трудно поддается формализации. Как следствие, очень сложно назвать устоявшиеся формализованные подходы к такой экспертизе, дающие гарантированный результат. Тем не менее, в западных странах полезными в этом случае признаются методы анализа задач [9], а также комплекс методов, получивших название «когнитивный анализ работы» CWA [10]. Большинство этих методов основаны на структурной декомпозиции и описании не только деятельности человека, но и функционирования системы.
Постановка задачи
Можно констатировать, что методы, используемые для достижения первых двух целей, не требуют детального рассмотрения существа операторской деятельности, понимания особенностей его задач. Конечно, это зависит от глубины анализа, который может опускаться до уровня отдельных операций. Однако и в этом случае аналитик не погружается в тонкости предметной области, полностью доверяя квалификации эксперта-консультанта предметной области. Начиная с третьего уровня, аналитик вынужден более детально изучать функции оператора, используя при этом современный обширный арсенал методов описания деятельности человека - пользователя, оператора, потребителя и его взаимодействия с системой. Эти методы обладают разными возможностями, ориентированы на разные цели, требуют различных трудозатрат и квалификации аналитика. Однако так ли часто профессионалы ощущают это многообразие? Всякий ли аналитик отдает себе отчет, почему применяет тот или иной метод? Потому что он и только он позволяет ответить на стоящий вопрос или просто по привычке, по при-
надлежности определенной научной школе или от того, что он хорошо знает именно этот метод? Часто ли аналитики задумываются, каковы возможности метода, удалось ли в результате его применения обнаружить что-то новое или сложное трудоемкое моделирование привело к заранее известному и очевидному результату?
Данная статья - попытка разобраться в этих возможностях, а также в факторах, которые влияют на получение результата. Автор не ставит цель создания энциклопедического справочника и разработки универсальной стратегии выбора метода описания и анализа операторской деятельности. Тем не менее, мы попробуем охватить базовые подходы и сформировать на их основе стратегию применения различных методов в зависимости от стоящей задачи и условий исследования.
Классификация методов
Для начала рассмотрим существующие принципы классификации методов. В зависимости от позиции аналитика, методы можно разделить на: узкоантропоцентрические, рассматривающие человека без учета техники; человеко-системные, в которых основным звеном является человек, а техника - подчиненное ему средство труда; рав-ноэлементные, рассматривающие человека и технику как равноценные элементы; системотехнические, рассматривающие человека как фактор внешней среды; узкотехнические, в которых человека не принимают во внимание [4]. В [5] выполнено подобное разделение методов на антропологические, антропоцентрические, техноцентрические и технические.
Используя распространенный в эргономике термин «методы описания деятельности оператора», мы автоматически встаем на антропоцентрическую (или человеко-системную) позицию. Это само по себе неплохо с точки зрения определенных задач, однако формально несколько сужает «ворота». Заменим этот термин на другой - «методы описания взаимодействия человека с системой», охватывающий более широкую группу методов с акцентом на операциях контакта человека с техникой. К этой группе можно отнести подавляющее большинство известных методов, в том числе и те, которые анализируются в данной статье.
Вторая классификация разделяет методы в зависимости от применяемого в них аппарата описания. По существу, данная классификация является общей для всех методов моделирования (не только операторской деятельности), однако в эргономике «прижились» лишь некоторые из них, в частности:
методы теории информации, рассматривающие деятельность человека как работу канала переработки и передачи данных,
методы теории автоматического управления, рассматривающие деятельность человека как работу системы регулирования с обратной связью и запаздыванием,
методы теории массового обслуживания, рассматривающие деятельность человека как работу канала обслуживания,
методы, основанные на дискретной логике, например теории автоматов, теории алгоритмов, исчисления предикатов и др., рассматривающих человека как запрограммированный автомат.
Первые три подхода были популярны в 1960-70-е гг. Четвертый активно используется сегодня. Как правило, любой анализ деятельности начинается с декомпозиции работы человека (или машины) до необходимой степени детализации, т.е. со структурного моделирования. Оно может применяться как отдельно, так и совместно с перечисленными выше подходами. В качестве инструмента при этом используются
функциональные сети, в вершинах которых показаны действия (функции), выполняемые человеком или системой;
сети переходов состояний, где в вершинах представлены состояния системы или человека;
семантические сети, вершины которых изображают как объекты, так и события, соединенные между собой отношениями.
В современной литературе упоминается еще один важный признак, который пока не используется в качестве классификационного. Так, в [8] используется термин "event-based analysis" для обозначения методов, ориентированных на описание задач, возникающих в результате свершения некоторых внешних событий (прогнозируемых или неожиданных). Задача при этом рассматривается как необходимая реакция оператора в ответ на событие, например, устранение дисбаланса подачи и расхода воды в резервуаре, возникшего вследствие остановки насоса. Назовем такие методы ориентированными на событие или событийно-ориентированными. Подавляющее большинство известных методов описания взаимодействия человека с системой, в частности, упомянутые выше иерархический и табличный анализ задач, обобщенный структурный метод, THERP и др., являются событийно-ориентированными или ориентированными на задачу. Именно с ориентацией на задачу строится большинство инструкций по эксплуатации или по устранению нежелательных ситуаций. Такие инструкции считаются тем лучше, чем они более «привязаны» к объекту управления, к его индикации, органам управления и маркировке.
Основным недостатком, связываемым с использованием этих методов, является необходимость заранее постулировать все исходные события, которые могут произойти в системе. Каждое из этих событий требует от человека (или автоматики) совершения определенных действий, совокупность которых и образует задачу, подлежащую описанию. В сложных системах постулирование исходных событий - обычная практика, однако никто не может гарантировать полноту этого перечня и уж тем более - их возможные сочетания. Поэтому в современной практике используется альтернативный подход - функционально-ориентированный, который сформировался в конце 1980-х гг. Он основан на том, что человек управляет функциями системы без привязки к какими-либо событиям. В атомной энергетике такой подход получил название симптомно-ориентированного. Подобная же идея заложена и в подходах, называемых анализом когнитивной деятельности (Cognitive Work Analysis, CWA) и анализом предметной области (Work Domain Analysis, WDA), продвигаемых научными школами Кима Вайсента (Kim Vicente) и Катерины Бернс (Catherine Burns) [10]. Прикладным результатом такого подхода стала концепция «экологического интерфейса». В отличие от «традиционного» человеко-машинного интерфейса, ориентированного на поддержку оператора при решении конкретных заранее определенных задач, цель экологического интерфейса состоит в том, чтобы сформировать у человека глубинное понимание явлений, происходящих в объекте управления. Основываясь на этом глубинном понимании, человек должен сам поставить себе задачу и найти способ ее решения, т.е. действовать на уровне «знаний» (как это предлагается в «лестничной» модели Й. Расмуссена [11], устанавливающей триаду «навыки-правила-знания»).
Итак, говоря о классификации, грубо можно обозначить две координатные оси, образующие «пространство» методов описания взаимодействия: первая ось простирается от наименее формализованных структурных методов до количественных умеренно формализованных аналитических, а вторая - от задачно-ориентированных до функционально-ориентированных.
Сравнительный анализ методов
Рассмотрим возможности различных подходов к моделированию и анализу на простом примере, используя два задачно-ориентированных метода - обобщенный структурный метод и иерархический анализ задач, и один функционально-ориентированный. В качестве предмета моделирования и эргономической экспертизы возьмем обращение потребителя с обычным бытовым чайником (рис. 1). В качестве задачи вы-
ступает «Вскипятить воду для двух человек». Алгоритм решения данной задачи выглядит следующим образом:
1) открыть верхнюю крышку, потянув за выступ;
2) залить 0,75 л воды (а) до третьего деления шкалы (б);
3) закрыть верхнюю крышку до щелчка;
4) нажать рычаг включения нагрева (а) и убедиться в его фиксации в нижнем положении (б);
5) подождать пока вода закипит (а) и рычаг включения «отщелкнется» (б);
6) налить воду в первую чашку;
7) налить воду во вторую чашку.
Рис. 1. Анализируемый объект управления
Выполним формализацию этого описания обобщенным структурным методом. Напомним, что основная цель этого метода - количественная оценка времени и вероятности правильного выполнения анализируемой задачи. На входе мы должны иметь перечень операций и информацию о них, позволяющую атрибутировать эту операцию с теми, по которым имеются справочные данные. Имея достоверные данные о вероятности безошибочного выполнения отдельных операций, мы получим вероятность того, что обе чашки в итоге наполнятся кипятком. Структурная схема для расчетов приведена на рис. 2,а.
Рис. 2. Функциональная сеть алгоритма в нотации обобщенного структурного метода
(а) и иерархия задач и операций (б)
Однако, используя этот и другие подобные методы, мы не получим, например: анализ возможных ожогов от неаккуратно пролитого кипятка и других всевозможных неприятностей и трудностей, с которыми может столкнуться пользователь;
информацию о приемах и навыках, формируемых разными пользователями (например, какой рукой держать чайник, каким пальцем открывать крышку, какие операции выполняются одновременно);
информацию об удобстве, выполнимости и когнитивной сложности отдельных операций;
предложения о том, как усовершенствовать предлагаемую конструкцию чайника. Иерархический анализ задач начинается с построения иерархии операций (задач) (рис. 2,б). Верхний уровень обычно отражает типовые фазы выполнения задачи. Это могут быть, например, обнаружение-диагностика-планирование-выполнение-отслеживание (для задач ликвидации нарушения в технологическом объекте) или подготовка-выполнение-завершение (как это сделано в данном примере).
На следующем этапе выполняется табличный анализ задач, в ходе которого эргономист оценивает каждую операцию по ряду факторов, которые являются наиболее значимыми для каждого конкретного случая. В нашем случае такими факторами являются безопасность, ЧМИ, антропометрические, тактильные и биомеханические аспекты (факторы физической эргономики), а также возможности совершения человеком ошибки (табл. 1).
Таблица 1 - Фрагмент табличного анализа задач
Задача Безопасность Факторы физической эргономики ЧМИ Возможные ошибки
1 Если в чайнике кипяток, то можно обжечься паром Защелка крышки может быть слишком тугой. Резкое открывание может привести к механической поломке замка Выступ крышки, который захватывается пальцами, может быть не виден с определенных точек зрения Приложение плохо рассчитанного усилия
2а Неприменимо В зависимости от расположения чайника залив воды может быть неудобным Открытая крышка может препятствовать взору Вода может проливаться мимо
2б Неприменимо Необходимо наклониться, чтобы компенсировать параллакс и блики стекла Белая шкала на темно-сером фоне: недостаточная контрастность при тусклом освещении Наиболее вероятным является неверное считывание значения уровня воды
Как правило, табличный анализ включает в себя и верификацию требований -проектных и нормативных, и экспертную оценку. Если цель экспертизы состоит в том, чтобы выяснить, может ли нормальный человек безопасно вскипятить воду, используя данный чайник, то релевантными требованиями являются требования к размеру рычага, силе нажатия, электробезопасности, прикладываемым усилиям и т.п.
Из таблицы видно, что анализ задач - простой, гибкий, не ресурсоемкий метод с большими возможностями. Однако отсутствие четкой формализации и строгости обуславливает большую долю субъективизма в применение этого метода, и делает его всецело зависящим от квалификации аналитика-эргономиста и/или привлекаемого эксперта предметной области.
В первую очередь, эффективность анализа задач определяется факторами, выбранными для анализа. Однако это незначительный недостаток, т.к. практика примене-
ния этого метода в разных областях деятельности позволила наработать более-менее стереотипные схемы.
Вторая проблема является более существенной. В данном примере мы отталкивались от конкретного чайника, от того, как в нем организовано управление, воспринимая это как данное. Мы анализировали уже реализованные в нем функции и возможности. Но как выполнить анализ функций, которых у данного чайника нет? Хорошо, если эргономист сталкивался с другими чайниками. В этом случае в его памяти сложилась целая коллекция возможных решений и функциональных возможностей. Он знает, какие существуют варианты исполнения того или иного действия:
как в разных чайниках открывается крышка (например, с помощью специальной кнопки на ручке),
как устроена индикация уровня воды (например, чайник со стеклянным прозрачным корпусом),
как индицируется включение (световой индикатор в кнопке или в другом месте), как организовано оповещение пользователя о закипании воды (например, в других чайниках предусмотрен звуковой сигнал).
И еще множество функций, таких как индикация и поддержание нужной температуры и др. Анализируя данный чайник, эргономист невольно сравнивает его со многими другими и рассматривает его свойства не как сами по себе, но в сравнении с аналогичными свойствами другого чайника. А если такого опыта нет? Многие ли, догадаются о том, что в процессе эксплуатации прозрачный пластик с рисками уровня воды перестанет быть прозрачным из-за накипи?
Еще хуже дела обстоят, если оцениваемое изделие абсолютно новое, никогда еще не использованное на практике. Кто же в этом случае может навести на проблемы его будущей эксплуатации и кто сможет дать рекомендации по повышению эргономично-сти, потребительских качеств и, в итоге, эффективности, безопасности и конкурентоспособности? Традиционно считается, что эксперты. Но найти эксперта непросто. Опыт общения автора данной статьи даже с очень опытными операторами АЭС показывает, что большинству из них не свойственно фантазировать, анализировать свой опыт и синтезировать выводы. Лишь единицы на это способны. Однако, рекомендуя метод, мы должны ориентироваться не на единиц, а на среднестатистического специалиста.
Как уже упоминалось ранее, задачно-ориентированные методы дают адекватные результаты только при наличии исчерпывающего или репрезентативного перечня событий/задач. Однако всегда есть риск пропустить часть задач. Чтобы этого не произошло, в 1990-е гг. появилось множество работ, вовлекающих в эргономику функциональный анализ, т.е. анализ объекта управления на уровне абстрактных функций без прямого упоминания об операторе или системе управления. Рассмотрим, как могло бы выглядеть функционально-ориентированное описание работы чайника (рис. 3).
Рис. 3. Иерархия функций
Основная особенность такого описания состоит в том, что функционирование объекта управления представляется как совокупность взаимодействующих функций (технологических и управляющих) без привязки к оборудованию или человеку, выполняющим эти функции. Анализируя такое описание, эргономист рассматривает не просто рукоятку или кнопку, а то, как реализуется некоторая функция этой рукояткой или кнопкой. Концентрация внимания аналитика на функциях «освобождает» его от предвзятости, образуемой некоторым уже реализованным техническим решением, провоцируя его на «открытое» творческое переосмысление любых способов их реализации.
Так, анализируя чайник традиционными методами, эргономист может сказать, насколько удобно расположен рычажный выключатель нагревателя, адекватно ли прикладываемое усилие, различима ли тактильная обратная связь. Если же функция управления нагревателем рассматривается как таковая, без привязки к предлагаемому техническому решению, то аналитик может задаться вопросом, почему не использованы другие способы управления, например, сенсорная панель, нажимная кнопка с возвратом или дистанционное управление. Безусловно, все это может лежать за границами эргономической экспертизы.
Заключение
Изложенные в данной статье рассуждения не претендуют на строгость, тем более что речь идет о трудно формализуемой проблемной области - взаимодействии человека с техникой - и эвристических по своей природе методах. Однако многолетний опыт эргономических экспертиз показывает, что у заказчиков подобных работ, как правило, формируются завышенные ожидания и надежды на то, что эргономист сумеет предвидеть возможные будущие проблемы и даже предложит какое-то новое решение. Цель данной статьи состояла в осмыслении существующих подходов и их возможностей в этой части.
Очевидно, что ослабление степени формализации метода анализа дает возможность решать в ходе экспертизы творческие задачи, однако при этом существенно повышает зависимость результатов от квалификации и опыта эргономиста или эксперта предметной области. Тем не менее, определенная формализация функционального анализа [10, 12] может до некоторой степени гарантировать достаточно продвинутый результат. В сочетании с традиционными методами экспертизы это может существенно расширить арсенал средств практикующего эргономиста.
Литература
1. Анохин А.Н., Алонцева Е.Н., Турицын М.И. Использование современной технологии соматографического анализа в задачах эргономической оценки // Человеческий фактор: проблемы психологии и эргономики. - 2015. - № 4 (76). - С. 78-84.
2. Львов В.М., Найченко М.В. Экспериментальная проверка работоспособности новой методики оценки эргономичности эргатических систем // Человеческий фактор: проблемы психологии и эргономики. - 2010. - №. 3 (54). - С. 50-56.
3. Назаренко Н.А., Нассер С.С.С., Осетров А.В., Падерно П.И. Комплексная оценка условий среды на рабочем месте // Биотехносфера. - 2013. - № 3 (27). - С. 11-15.
4. Информационно-управляющие человеко-машинные системы: Исследование, проектирование, испытания: Справочник / Под общ. ред. А.И. Губинского, В.Г. Евграфова. - М.: Машиностроение, 1993.
5. Анохин А.Н., Острейковский В.А. Вопросы эргономики в ядерной энергетике. - М.: Энергоатомиздат, 2001. - 344 с.
6. Губинский, А.И. Надежность и качество функционирования эргатических систем. -Л.: Наука, 1987 - 270 с.
7. Swain A.D., Guttmann H.E. Handbook of human reliability analysis with emphasis on nuclear power plant application (NUREG/CR-1278). - Springfield, VA: National Technical Information Service, 1983.
8. Lees C., Manton J., Triggs T. Protocol analysis as a tool in function and task analysis. Technical Report DSTO-TR-0883. - Salisbury: DSTO Electronics and Surveillance Research Laboratory, 1999. - 37 p.
9. Stanton N. Hierarchical task analysis: Developments, applications, and extensions // Applied Ergonomics. - 2006. - V. 37. - P. 55-79.
10. Burns C M., Hajdukievicz J.R. Ecological interface design. - CRS Press LLC, 2004.
11. Rasmussen J. The human as a system component. - New York: Academic Press, 1980.
12. Chernyaev A., Anokhin A. Formalization of the functional analysis methodology to improve NPP I&C system design process / Proceedings of the 10th International Topical Meeting on Nuclear Plant Instrumentation, Controls, and Human Machine Interface Technologies: NPIC&HMIT'2017 (San Francisco, CA, USA, June 11-15, 2017). - La Grange Park, IL: ANS Inc., 2017. - P. 1058-1067.
