Техническое обеспечение инженерно-психологических исследований

10.1. Приборы и аппаратура для инженерно психологических исследований

Важное место в арсенале инженерно-психологи­ческих методов исследования операторской деятельно­сти занимают, как отмечалось в главе V, объективные методы. Частично они рассматривались в главе VI при изучении методов психологического тестирования и в главе VII при изучении физиологических методов. Здесь же представляется целесообразным рассмотреть объективные методы в более полном и систематизиро­ванном виде. Эти методы реализуются в инженерной психологии с помощью специальной аппаратуры.

Аппаратура (от лат. apparatus — оборудование) для инженерно-психологических исследований представ­ляет собой приборы, устройства и оборудование, при­меняемые для регистрации и измерения психических процессов, функций и состояний, а также результатов трудовой деятельности в целом или ее отдельных эле­ментов. К данной аппаратуре относятся:

• детекторы (датчики) — устройства, обнаруживающие и преобразующие первичные сигналы в форму, удобную для последующей обработки и регистрации;

• показывающие и регистрирующие устройства, служащие либо для предъявления стимульной информации испытуе­мому, либо для регистрации его ответов;

• измерительные средства — устройства и приборы, обес­печивающие получение количественной информации о характеристиках изучаемых явлений.

В качестве датчиков используются все виды элек­трических, механических и химических детекторов. Датчики представляют устройства для восприятия раз­личных проявлений жизнедеятельности организма и преобразования их в электрические и другие сигналы (см. табл. 7.2). Разновидностью датчиков являются элек­троды для контактного восприятия электрических био­потенциалов, возникающих в живом организме. Датчики и электроды можно назвать элементами, согласующими источник физиологической информации с регистриру­ющей аппаратурой. Датчик состоит из воспринимающей части (чувствительный элемент) и преобразователя. Раз­личают датчики первичного преобразования, если элек­трический сигнал возникает в них от непосредственно­го воздействия наблюдаемого физиологического явления, и датчики вторичного преобразования с промежуточны­ми устройствами для передачи сигнала от изучаемого органа к чувствительному элементу.

По принципу действия все датчики разделяют на генераторные и параметрические. Первые сами выра­батывают электрические сигналы, эквивалентные ис­следуемому физиологическому или психологическому процессу; вторые изменяют свои электрические пара­метры в соответствии с динамикой исследуемого про­цесса. Датчики могут быть построены на разных спо­собах преобразования информации (индукционные, тензометрические, фотоэлектрические, емкостные и др.). Весьма перспективными являются датчики-пере­датчики, позволяющие осуществить дистанционный контроль функционального состояния оператора. Дат­чики широко применяются в биотелеметрии, при био­управлении, контроле состояния оператора. Способы крепления датчиков на теле оператора и требования к ним рассмотрены в главе VII.

К числу показывающих и регистрирующих уст­ройств относятся стрелочные и цифровые электро- и радиоизмерительные приборы, механические приборы, фото- и киноаппараты, видеомагнитофоны, магнитофо­ны, полиграфы, самописцы, спектроанализаторы и т. п.

В качестве измерительных средств применяются:

■ для измерения временных характеристик — секундомеры (механические и электронные), рефлексометры, хронорефлексометры;

• для измерения характеристик зрения — люксметры, фо­тометры, тахистоскопы;

• для измерения характеристик слуха — аудиометры, шумометры, измерительные усилители;

■ для измерения характеристик тактильного анализато­ра — эстезиометры, измерительные циркули.

Более подробно вопросы инженерно-психологи­ческих измерений рассматриваются в следующем па­раграфе.

Общее представление о наиболее типичных сред­ствах инженерно-психологических исследованиях и применяемых методиках можно получить с помощью таблицы 10.1. Рассмотрим некоторые из наиболее час­то используемых технических средств, применяемых для изучения деятельности оператора. К их числу от­носятся такие приборы как тахистоскоп, рефлексометр, адаптометр, аудиометр, эргометр, полиграф и другие.

Тахистоскоп (от лат. tachistos — быстрый, скорый и skopo — смотрю) представляет прибор, позволяющий предъявлять зрительные стимулы на строго определен­ное, в том числе очень короткое время. Тахистоскопы обеспечивают:

• предъявление предварительного «дежурного» фона или объекта, к которому адаптируется зрительная система;

• кратковременную экспозицию тестового объекта в тече­ние заданного времени;

• повторное предъявление «дежурного» или «стирающего» объекта (фона) сразу после экспозиции;

• регистрацию времени какой-либо реакции (речевой, мо­торной и т. п.).

Существуют две группы тахистоскопов:

• обеспечивающие экспозицию «натурального» объекта (пульта, прибора, схемы, информационного поля и т. п.);

• обеспечивающие экспозицию проекционного изображе­ния.

Исторически первыми были механические тахис­тоскопы, в которых время регулировалось с помощью механического затвора.

В настоящее время широко применяются также электронные тахистоскопы, работающие по принципу электронной модуляции уровня освещенности. Среди них для тахистоскопического предъявления информа­ции все чаще используются индикаторы и дисплеи,

Таблица 10.1

Методы и средства изучения трудовой деятельности человека

Объект изучения	Метод и методика	Используемые средства
Рабочие дви­жения и тру­довые опера­ции	Циклография, фото- и кино­съемка (обычная и стерео­скопическая), тензометрия и стробофотография	Фото- и киноаппараты, ви­деомагнитофоны, тензодатчики, самописцы, эргогра­фы
Функции зрительного анализатора	Исследование остроты зре­ния, определение контраст­ной чувствительности, опре­деление скорости зрительного восприятия, исследование движений глаз	Таблицы, адаптометры, диски Максвелла, тахистоскопы, аномалоскопы, пе­риметры, киноаппараты, анализаторы движений глаз, электроокулографы, измерители реакции
Функции слу­хового и так­тильного анализаторов	Проверка разборчивости речи, аудиометрия, эстезиометрия	Аудиометры, циркуль Вебера, эстезиометры
Функции дви­гательного аппарата	Эргография, динамометрия, координометрия, электро­миография	Эргографы, динамометры, тремометры, суппорты, ко-ординометры, электромио­графы, многоканальная био РТС «Вега», интеграторы
Функции психомоторики	Усвоение программы пси­хомоторных действий	Адаптроны, аппарат груп­пового исследования пси­хомоторики
Обмен ве­ществ и теп­лообмен	Определение водного ба­ланса, термометрия тела и кожи, определение тепло­отдачи, определение основ­ного обмена	Медицинские весы, термо­метры и термокамеры, теплохронорефлексометры, радиометры, спирографы
Функции внимания и памяти	Тахистоскопия, корректур­ные пробы	Тахистоскопы, бланковые и аппаратурные психологиче­ские тесты
Исследование групповой деятельности	Исследование влияния ка­ждого члена группы на ход совместной работы, иссле­дование совместимости и сработанности группы	Гомеостаты, кибернометры с мягкой и жесткой связью, социометрические тесты

управляемые ЭВМ. Весьма эффективным является также применение телевизионных тахистоскопов, из­готавливаемых на базе промышленных телевизионных установок. К их преимуществам относится возмож­ность работы при малой освещенности (до 0,1 лк) и возможность изоляции испытуемого от помех.

Для проведения коллективных экспериментов при­меняются проекционные тахистоскопы, представляю­щие собой специально оборудованные диапроекторы. Тахистоскопы различаются также количеством незави­симо работающих каналов предъявления информации. Тахистоскопы находят широкое применение в иссле­дованиях восприятия, опознания, памяти и других по­знавательных процессов [173].

Рис. 10.1. Структурная схема рефлексометра.

Рефлексометром называется прибор, предназначен­ный для измерения времени выполнения оператором тех или иных действий. В отличие от механических вре-мяизмерительных устройств (например, секундомеров, часов) рефлексометр автоматически запускается в мо­мент предъявления сигнала (команды) к началу действия и выключается после выполнения обусловленного дей­ствия оператором. Для осуществления этого в каждом конкретном случае индивидуально разрабатывается и изготавливается простейший блок управления на базе бесконтактных или электромагнитных реле. Структур­ная схема такого прибора приведена на рис. 10.1. При необходимости ведения исследования в быстром темпе к блоку управления может быть подключено автомати­ческое програмное устройство (АПУ), а результаты че­рез транскриптор выведены на цифропечать.

Адаптометр (от лат. adapte — приспособляю и metron — мера) служит для измерения световой чувствительно­сти глаза в процессе темновой адаптации, то есть в про­цессе постепенного привыкания глаза к темноте. Адаптрон построен на принципе измерения порога светового раздражения зрительного анализатора путем предъяв­ления точно дозированных световых воздействий. При­бор позволяет установить минимальную интенсивность светового раздражителя, вызывающую у испытуемого ощущение света при данных условиях. Яркость тестово­го объекта может меняться в очень большом диапазоне, что позволяет исследовать изменение чувствительности и, следовательно, ход темновой адаптации как нормаль­ного глаза, так и при глазной патологии.

Аудиометр (от лат. audio — слышу и греч. metron — мера) представляет специальный электроакустический прибор для исследования слуха. Сам процесс исследова­ния называется аудиометрией. По сравнению с другими методами исследования слуха (речью, камертонами, сви­стками и др.) аудиометрия имеет ряд преимуществ: позволяет дозировать интенсивность звуковых сигналов в общепринятых единицах — децибелах, производить исследование почти всех звуковых частот, воспринима­емых человеком, и осуществлять ряд функциональных проб (исследование пороговой дифференциальной чув­ствительности, интенсивности, маскировки и т. п.). Аудиометрия позволяет довольно точно охарактеризо­вать функциональное состояние слухового аппарата, а отчасти, и его функциональные возможности. Аудиометрию проводят в звукоизолированных камерах; резуль­таты заносят на специальные бланки — аудиограммы. В зависимости от подаваемого сигнала и метода регис­трации различают тональную, шумовую, автоматичес­кую и рефлекторную аудиометрию [148].

Эргометры и эргографы (от греч ergon — работа и grappho — пишу) используются для изучения работы мышц человека, определения величины мышечной работоспособности, регистрации движений рук и ног человека. Графическая запись результатов исследова­ния с помощью этих приборов называется эргограммой. С ее помощью определяю величину и мощность проделанной работы. Особенности эргограммы зави­сят от величины груза, быстроты ритма и состояния нервной системы работающего.

Определение моторных характеристик осуществ­ляется также с помощью таких приборов, как кинематометр, тремометр, координометр. Кинематометр по­зволяет определить чувствительность кинестетического анализатора человека (ощущение положения руки в пространстве). Тремометр применяется для оценки точности движений. Координометры обеспечивают измерение координации движений рук. Простейшей моделью координометра является суппорт от токарно­го станка. Испытуемый, оперируя одновременно или по очереди двумя рукоятками, перемешает ствол суп­порта, на котором заложена пластина с фигурной щелью (траекторией), так чтобы неподвижный штифт не касался ее краев. Оцениваются те же параметры, что и в тремометре [173]. Для изучения групповой деятельности применяются приборы типа гомеостат и кибернометр.

Полиграф представляет прибор, предназначенный для одновременной регистрации и анализа нескольких физиологических характеристик человека. Его приме­нение позволяет реализовать на практике полиэффекторную методику исследования функционального состо­яния оператора. В результате оказывается возможным судить об особенностях изучаемой деятельности, уста­новить корреляции между характером внешних сигна­лов и ответными реакциями на них. Преимуществом полиграфа является и то, что с его помощью создается возможность разграничить те сложные функциональ­ные системы, в которые регистрируемая частная реак­ция входит в качестве одного из компонентов. На прин­ципе полиграфа построен такой широко известный прибор, каким является детектор лжи [148].

Рассмотренные приборы (а их перечень можно было бы продолжить) выпускаются, как правило, се­рийно и находят широкое применение в инженерно-психологических исследованиях. Однако они далеко не полностью удовлетворяют потребностям практики, поэтому помимо них возможно применение несерий­ной аппаратуры, которую условно можно разделить на две группы.

К первой группе относятся схемные решения и способы исследований, защищенные авторскими сви­детельствами на изобретателя. Их отличительная чер­та — элемент новизны по сравнению с ранее существу­ющими устройствами и способами. В зависимости от целей изобретения авторские свидетельства на устрой­ства и способы изучения и анализа деятельности оператора можно, в свою очередь, разделить на две груп­пы. В первой из них целью изобретения является совер­шенствование схемных решений (упрощение схемы, повышение эксплуатационных и технических характе­ристик ее работы и т. п.) по сравнению с ранее суще­ствующими вариантами. Инженерно-психологические аспекты в этих авторских свидетельствах практически не отличаются от ранее существующих решений. Це­лью авторских свидетельств второй группы является расширение функциональных возможностей предлага­емых устройств по сравнению с прототипами (приме­нение новых методов регистрации психофизиологичес­ких данных, контроля уровня подготовки операторов, организации тренировок и т. п.). Элемент новизны но­сит здесь прежде всего инженерно-психологический аспект. Применение таких устройств и способов позво­ляет реализовать на практике новые инженерно-психо­логические принципы и рекомендации. Авторские сви­детельства этого класса можно разделить на следующие виды: устройства и способы изучения психофизиологи­ческих характеристик человека, устройства для обуче­ния и тренировок операторов, устройство контроля ра­ботоспособности и состояния операторов, способы и устройства анализа речевых сигналов [173].

Ко второй группе принадлежат приборы единично­го (мелкогруппового) изготовления. Многие из них не имеют элементов новизны в схемных решениях, поэто­му не являются изобретениями. Однако в отличие от большинства приборов первой группы (авторских сви­детельств) каждый из приборов второй группы реально изготовлен в одном или нескольких экземплярах и был применен при проведении тех или иных исследований. Описанию аппаратурно-экспериментальных методик проведения инженерно-психологических исследований посвящен целый ряд работ. Однако их анализ показы­вает, что наибольшее внимание уделяется разработке приборов узкого назначения, предназначенных для ис­следования отдельных закономерностей деятельности оператора: влияния различных факторов на его надеж­ность [24, 192], закономерностей процесса слежения [40, 108, 109, 111, 201], возможности оценки функциональ­ного состояния оператора психологическими и физио­логическими методами [96, 108, 109, 112, 188], отдельных сторон групповой деятельности [32, 54, 125], изуче­ния закономерностей процесса принятия решения опе­ратором [27, 87, 150] и др.

Ряд приборов и устройств предназначен для ком­плексного изучения и моделирования в лабораторных условиях целостной деятельности оператора как срав­нительно простой (например, экскаваторщика [8]), так и более сложной в психологическом плане (имитаци­онные комплексы «Уникод» [173] и «Оператор» [139] для моделирования деятельности оператора АСУТП). В практике проектирования СЧМ находят применение шаблоны и макеты для отработки конструкции рабоче­го места и стенды для динамического макетирования лицевых панелей пультов управления [10].

В качестве примера более подробно остановимся на двух конкретных аппаратурных разработках, нашедших широкое применение в инженерно-психологической практике. Одной из них является прибор АГИП (аппарат группового исследования психомоторики). Он позволяет одновременно обследовать группу до 24 человек; при этом можно измерять параметры следующих психомоторных процессов: сенсомоторных реакций, выполняемых одной или двумя руками; сенсомоторной координации, осуще­ствляемой в условиях визуальных помех; сенсомоторной координации, осуществляемой при повышенном темпе предъявления сигналов (дефицит времени).

Прибор состоит из следующих составных частей: пульта управления экспериментом (ПУЭ) с программ­ным устройством, пульта обследуемого (ПО), светово­го табло (СТ) со светосигнальными полями зрительных сигналов (рис. 10.2). На пульте управления располо­жены тумблеры для включения помех, переключения скорости прохождения программы, переключения ре­жима работы (ручной или автоматический), избира­тельного включения ламп на световом табло. Свето­вое табло служит для отображения световых сигналов, посылаемых с ПУЭ вручную или автоматически. На СТ расположено 26 сигнальных ламп, светящихся разным цветом. Поле СТ поделено пополам: справа и слева находится по 13 сигнальных ламп, реагировать на которые необходимо соответственно правой или левой рукой. Лампы в каждой половине размещены в определенном порядке с таким расчетом, чтобы задавать направления движений рук. Красные лампы (4) указывают направления движения рычагов ПО; зеле­ные (5) являются сигналом для возвращения рычагов ПО в исходное состояние; белые (6) служат для созда­ния

Рис. 10.2. Аппарат группового исследования

психомоторики: а — световое табло; б — пульт

оператора.

зрительных помех. Пульты обследуемых (24 шту­ки) содержат рычаги (3) для воспроизведения движе­ний руки, счетчик (2) для фиксации времени реакции обследуемого и 16 клемм (4) по восемь штук вокруг каждого рычага, расположенных в соответствии с раз­мещением сигналов на обеих половинах СТ. Задача оператора заключается в определенной манипуляции рычагами в соответствии с заданной инструкцией [214].

Другим примером аппаратурной методики ис­следования деятельности оператора является ДПФИ (дистанционный прибор для физиологических ис­следований). Прибор предназначен для измерения характеристик зрительного, слухового и двигательно­го анализаторов, а также основных характеристик, оп­ределяющих состояние организма человека. К ним от­носятся: время простой сенсомоторной реакции на звуковой (частотой 1000 Гц) и световой раздражитель; время сложной реакции на комплекс световых сигна­лов; чувствительность и подвижность зрительного ана­лизатора по критической частоте слияния мельканий (КЧСМ) и порогу возникновения ощущения света (фосфена), а также критической частоте исчезновения мелькающего фосфена (КЧИФ) при электрическом раз­дражении зрительного анализатора; статическая и ди­намическая (скорость простых движений — темпинг-тест) мышечная выносливость; скорость и точность координированных движений; частота и амплитуда тремора (мелких колебаний расслабленных мышц); электрическое сопротивление кожи.

Конструктивно прибор выполнен в виде двух час­тей: пульта экспериментатора и пульта испытуемого. С пульта экспериментатора подаются команды и сиг­налы на пульт испытуемого для контроля ответных реакций. Измерение характеристик из перечня зало­женных в приборе методик может производиться в любой последовательности. Для достижения связи экспериментатора с испытуемым пульты, разнесенные на расстояние до 50 м, соединяются электрическим кабелем. Это позволяет избежать субъективного влия­ния присутствия экспериментатора на процесс иссле­дования, размещать испытуемого на реальном рабочем месте (в кабине, отсеке, аппаратном помещении, у пульта управления и т. п.) и измерять характеристики человека в кратковременных перерывах деятельности даже в реальных условиях труда [184, 199].

Все рассматриваемые до сих пор приборы позво­ляют решать лишь определенный, достаточно узкий класс задач инженерно-психологического анализа де­ятельности оператора. Помимо этого делаются попыт­ки создания универсальных приборов, построенных на базе динамических (функциональных) макетов рабоче­го места оператора, моделирующих прежде всего ин­формационные потоки, поступающие к оператору. Анализ и оптимизация деятельности проводится с их помощью на основе максимизации функции качества при ограничениях, накладываемых на инженерно-психологические характеристики рабочего места.

В таком динамическом макете лицевую панель исследуемого рабочего места набирают на специаль­ной моделирующей установке (рис. 10.3) с соблюдени­ем геометрических размеров, компоновки и алгоритма трудовой деятельности. Установка снабжается логико-временным блоком 1, блоком питания 2 и набором быстросъемных соединений для подключения этих блоков к съемным элементам, установленным в ячейках монтажной платы 6. Съемные элементы 4 выпол­нены в виде единичных модулей с органами индика­ции и управления.

Макетирование выполняют следующим образом. На монтажной плате 6, прикрепленной к каркасу, на­бирают лицевую панель исследуемого пульта управ­ления путем установки единичных модулей в установ­ленные ячейки 3 монтажной платы. Незанятые ячейки закрываются фальшпанелями 5, имитирующими окра­шенную поверхность пульта. С помощью быстросъем-ных соединений единичные модули коммутируются между собой в соответствии с алгоритмом работы, а также подключаются к элементам логико-временного блока 1, который осуществляет требуемую логическую связь и позволяет реализовать требуемые временные задержки. На полученном макете в реальных условиях рабочей среды моделируют все конкурирующие вари­анты компоновки пульта управления, а, следователь­но, и алгоритма работы оператора и для каждого из них определяют функцию качества. Из нескольких срав­ниваемых вариантов выбирают тот, для которого фун­кция качества принимает максимальное значение [10].

В заключение следует отметить, что в последнее время наблюдается все более возрастающая тенденция автоматизации инженерно-психологических исследо­ваний. В этих целях разрабатываются и совершенству­ются устройства ввода в ЭВМ и вывода из нее психо­физиологической информации, а также устройства для автоматизированной обработки результатов экспери­мента [27, 74, 109, 127]. Эти вопросы требуют специ­ального рассмотрения.

Рис. 10.3. Установка для динамического макетирования операторской деятельности.