Оценка эргономических параметров продукции

В эргономике применяются экспериментальные методы изучения динамики различных физиологических функций [22]. Характерной чертой является широкое использование электрофизиологических методик: 1) электроэнцефалография (ЭЭГ)--запись электрической активности мозга, которая позволяет получить ряд характеристик деятельности нейронных ансамблей головного мозга в естественных условиях; электромиография (ЭМГ)-- запись потенциала действия мышц, которая является чувствительным показателем включения в динамическую связь или статическую работу определенных мышечных групп и играет важную роль при оценке состояния мышечного тонуса (незаменима при исследовании позы и рабочих движений); регистрация кожно-гальванической реакции (КХР)--изменение разности потенциалов кожи, которое является весьма чувствительным показателем эмоционального состояния человека; электрокардиография (ЭКГ) --запись электрической активности сердца -- является надежным индикатором состояния сердечно-сосудистой системы; электроокулография (ЭОГ) --запись потенциала, возникающего при повороте глазного яблока, использующаяся как объективный показатель перемещения взора человека при рассматривания какого-либо объекта. Регистрация биоэлектрических процессов позволяет определять и количественно характеризовать малодоступные для непосредственного наблюдения функциональные сдвиги в организме человека, происходящие под воздействием самых разнообразных изменений окружающей среды.

Метод комплексной регистрации психофизиологических функций, который называют еще полиэффекторным методом, используется в эргономике для изучения различных по содержанию и сложности видов человеческой деятельности. Большое распространение этот метод получил при изучении функциональных состояний человека. Ценность данного метода состоит в возможности одновременной регистрации многих психофизиологических параметров, позволяющий дать целостное представление о работе основных функциональных систем организма.

В эргономических исследованиях находят применение методы биомеханики: ускоренная киносъемка, циклография, кино-циклография, электрическая тензометрия -- изменение электрических свойств датчиков, наложенных на деформируемые человеком части технических средств, электрическая регистрация механических величин с помощью датчиков угловых перемещений, опорных динамографов и др. [9, 28]. С их помощью дается характеристика двигательной активности человека с точки зрения эффективности работы различных звеньев опорно-мышечного аппарата.

С целью изучения условий, в которых протекает производственная деятельность человека, в эргономике широко используются методы описания микроклиматических условий -- температурного режима, влажности и т. д., методы измерения и оценки интенсивности облучения в диапазоне радиочастот, методы измерения уровня шума и определения его частотного состава, методы измерения и оценки вибрации, методы определения содержания пыли в воздухе, методы определения токсических веществ в воздухе, методы световых измерений и другие методы гигиены труда [65].

Для решения различных эргономических задач используется техника антропометрических исследований [30]. Широкое применение находит соматография -- технико-антропологический анализ положения тела и изменения рабочей позы человека, соотношения размеров человека и машины. Результаты этого анализа обычно представляются в графической форме. Соматография позволяет рассчитывать зоны легкой и оптимальной досягаемости, находить оптимальные способы организации рабочего места с учетом пропорциональных отношений между элементами оборудования и человеком.

Сущность операционно-структурного описания трудовой деятельности, часто называемого алгоритмическим анализом, состоит в разложении трудовой деятельности на качественно различные составляющие, определении их логической связи между собой, порядка следования друг за другом и вычислении ряда показателей, имеющих определенный психофизиологический смысл [33]. Важное значение в эргономике имеют методы системно-структурного анализа деятельности, в частности специальные методы функционально-структурного и микроструктурного анализа [38, 39]. В методический арсенал эргономики входят многие психофизиологические методики: измерение времени реакции, существующие во многих вариантах (простой сенсорной и моторной реакции, реакции выбора, реакции на движущийся объект и т. д.); психофизические методики (определение порогов и динамики чувствительности в различных модальностях); психометрические методы исследования перцептивных, мнемических, когнитивных процессов и личностных характеристик.

Используемые в эргономике социометрические методы исследования межличностных отношений позволяют решить целый ряд актуальных вопросов: установить факт предпочтения или установку, выраженную индивидом в отношении других членов группы или коллектива в определенных ситуациях, описать положение индивида в группе так, как оно представляется самому субъекту, и сопоставить это с реакциями других членов группы, выразить взаимоотношения внутри сравниваемых групп с помощью формальных методов [56]. Одной из наиболее распространенных методик исследования совместимости членов малых групп является гомеостатическая методика, которая нашла применение в проектировании групповой оперативной деятельности [23].

Проведение эргономических исследований требует создания адекватных методов количественной оценки качества продукции. С этой целью в эргономике используется неметрическое и метрическое шкалирование -- измерение, под которым понимают «упорядочение множества свойств реальных объектов (предметная область) относительно множества знаков (область модели) посредством правила упорядочения (f), позволяющего изоморфно отобразить элементы и отношения между ними в предметной области через элементы и отношения между ними в области модели» [61, с. 154]. В качестве результата шкалирования получают формальную модель -- шкалу, которую можно применять как аналитический инструмент.

Различают номинальные, порядковые, интервальные и пропорциональные шкалы. Номинальная шкала основывается на придании знаков объектам. Она строится как классификация исследуемых объектов по наличию или отсутствию определенного признака в пределах двух или более категорий наблюдения (размерностей признака). При построении порядковой шкалы кроме отношения равенства и неравенства учитывается еще и порядок, т. е. интенсивность проявления определяемого признака. Обладая всеми перечисленными свойствами охарактеризованных выше шкал, шкала интервалов характеризуется тем, что расстояние между двумя точками на континууме может быть точно задано и благодаря этому возможно оценить величину интервалов (температурная шкала Цельсия, стандартизованные шкалы для психологических тестов и др.). Пропорциональным шкалам присущи все свойства описанных шкал. Кроме того, они обладают еще натуральной или абсолютной нулевой точкой, благодаря чему можно сопоставлять суммы, разности, произведения и частные, а также устанавливать соотношения между шкальными оценками.

В эргономике находят применение шкалы оценок, которые служат вспомогательным средством при вынесении суждений о степени выраженности признака того или иного явления. «Оценка представляет собой измерение, если последнее понимается как сравнение количественной стороны признака с некоторым масштабом. Шкалы оценок следует считать таким масштабом, если различные судящие выносят по одному и тому же признаку совпадающие в большой мере оценки и суждение надежно» [61, с. 211]. Особое значение шкалы оценок для эргономики состоит в том, что с их помощью легче сделать вывод о выраженности комплексных признаков. Метод экспертной оценки используется в эргономике для оценки компоновки пультов управления, средств отображения информации и других объектов [68], когда применение расчетных и экспериментальных методов затруднено.

Эргономика использует и способствует дальнейшему развитию методов кибернетики, которая в понятие оптимизации включает требования оптимального управления деятельностью человека в сложных человеко-машинных системах [12, 87, 88]. Много общего имеют методы эргономики и бионики. Методы разработки количественно-обоснованных рекомендаций по принятию оптимальных решений также входят в методический арсенал эргономики. Привлечение методов теории автоматического регулирования, теории информации, теории массового обслуживания и других к исследованию и проектированию систем «человек-машина» побуждает уделять все больше внимания обоснованию применимости используемых подходов, выявлению их принципиальных возможностей и адекватности специфике решаемых задач [64].

Использование методических средств системотехники, связанных с макропроектированием сложных систем, т. е. с выбором и организацией функций и структуры в целом, во многом определяет формирование эргономики как проектировочной дисциплины [1, 87, 88]. Разрабатываются общие методологические подходы к решению основных задач эргономического проектирования, являющегося составной частью общего проектирования системы «человек-- машина», цель которого состоит в обосновании выдвигаемых эргономических требований, их реализации в виде свойств проектируемой системы и экспертизы результатов проектных решений [14, 24, 29, 35, 41, 42]. В основе рационального эргономического проектирования лежит проектирование деятельности человека (группы людей), разработка методов которого представляет одну из наиболее сложных задач. Решение поставленных задач возможно при условии создания системы методов, так как ни один из методов не является универсальным, пригодным для анализа всех аспектов проблемы проектирования деятельности. При этом взаимодополняемость и взаимодействие методов не снимают необходимости определения ведущего метода в зависимости от целей и задач конкретных исследований [17].Как было показано выше, используемые в эргономике методы многообразны, и даже в специальном пособии не представляется возможным дать подробное описание каждого из них. Специальное внимание будет уделено методам наблюдения и опроса, изучения исполнительной и познавательной деятельности человека, оценки функциональных состояний, моделирования и использования ЭВМ в эргономических исследованиях.

3.3 Методы наблюдения и опроса

Под наблюдением понимают целенаправленное, организованное и систематизированное рассмотрение исследуемого объекта. При этом очень важно четко фиксировать результаты наблюдений с целью их воспроизведения и использования других видов проверки. Методика наблюдения претерпела за последнее время значительное изменение благодаря применению различных фиксационных и других технических средств (фотографических, кинематографических, звукотехнических, телевизионных). Вместе с тем повышаются требования к культуре наблюдения, прежде всего с точки зрения корректной постановки задачи наблюдения, точности его выполнения, широты рассмотрения описываемого явления.

В эргономике наблюдение часто является составной частью экспериментального исследования. Организация наблюдения включает решение следующих вопросов: а) определение задачи и цели наблюдения; б) выбор объекта, предмета и ситуации наблюдения; в) выбор способа наблюдения, наименее влияющего на исследуемый объект и обеспечивающего сбор необходимой информации; г) выбор способа регистрации наблюдаемого явления; д) обработка и интерпретация полученной информации [78]. При организации наблюдения необходимо учитывать, что присутствие наблюдателя оказывает существенное влияние на протекание деятельности. С помощью метода наблюдения, дополненного хронометражем, фото- или киносъемкой всех операций в порядке их следования, можно достаточно подробно описать трудовую деятельность.

Особое значение в профессиографических исследованиях имеет заранее продуманная и подготовленная схема наблюдения. Ниже приводятся две схемы наблюдения с целью анализа рабочего места, рабочей позы и рабочих движений. Первая составлена для изучения деятельности диспетчеров, вторая -- намотчиц. Деятельность диспетчеров изучалась с целью разработки эргономических требований к рабочему креслу, деятельность намотчиц -- с целью реорганизации всего рабочего места [74].

СХЕМА НАБЛЮДЕНИЯ 1

1 Специфика диспетчерского труда по занятости органов чувств и включенных в работу частей тела (руки, ноги, зрение, слух).

2. Специфика положения тела: фиксированная поза, подвижность относительно сиденья, пульта.

3. Угол наклона туловища: отрицательный (вперед), прямой, положительный (назад).

4. Высота опорной точки туловища (спины) над сиденьем.

5. Высота пульта и угол наклона рабочей панели.

6. Занятость рук (правая, левая, обе).

7. Положение рук в зоне досягаемости: по глубине (предельная, ближняя), по ширине (справа, слева).

8. Соответствие размеров пульта зонам легкой или оптимальной досягаемости моторного поля рабочего места.

9. Опорные точки рук (локти, предплечья).

10. Положение ног (правой, левой).

11. Соответствие размеров пульта зонам легкой или оптимальной досягаемости.

12. Определение опорной части сиденья: передняя, средняя, задняя.

13. Возможность отдыха вне рабочей зоны.

СХЕМА НАБЛЮДЕНИЯ 2

1. Специфика труда по занятости органов чувств и включенных в работу частей тела (руки, ноги, зрение, слух).

2. Специфика положения тела: фиксированная поза, подвижность относительно сиденья, станка.

3. Угол наклона туловища: отрицательный (вперед), прямой, положительный (назад).

4. Угол наклона головы: отрицательный, прямой, положительный.

5. Занятость рук: постоянная (правая, левая, обе), периодическая (правая, левая, обе).

6. Положение рук в зоне досягаемости: по глубине (предельная, ближняя), по ширине (справа, слева).

7. Соответствие размеров станка зонам легкой или оптимальной досягаемости моторного поля рабочего места.

8. Занятость ног: рабочей (правая, левая), опорной (правая, левая).

9. Положение рабочей ноги в период отсутствия действия: на педали, на полу, на подставке, без опоры.

10. Положение опорной ноги: на полу, на подставке, на педали, без опоры.

11. Соответствие размеров станка зонам легкой или оптимальной досягаемости ног.

12. Использование подставки для ног (да, нет; для правой, левой, обеих).

13. Расстояние от средней подмышечной линии до оправки (поперечная ось станка).

14. Определение опорной части сиденья: передняя, средняя, задняя.

15. Отношение работницы к введенным усовершенствованиям стула (положительное, отрицательное).

Запись результатов наблюдения может быть сделана в виде таблицы, к которой должна прилагаться инструкция по ее заполнению.

Для сбора информации относительно структуры процесса трудовой деятельности, характера его протекания и отношения человека к работе широко используется метод опроса.

Опрос может быть регламентированным, для которого характерны предварительная подготовка единообразных для всех опрашиваемых вопросов и строго заданная их последовательность, а также нерегламентированным, предполагающим свободную беседу с опрашиваемым в соответствии лишь с ее общим планом.

Применение метода беседы требует определенных навыков и даже искусства. Его рекомендуется применять при опросе незначительного количества работающих. Метод беседы позволяет уточнить ответы на поставленные вопросы, понять вопросы, вызывающие затруднения различного (например терминологического) характера, а также фиксировать замечания опрашиваемого, выходящие за пределы поставленных вопросов, но представляющие определенный интерес.

Обычно происходит объединение задаваемых вопросов в опросники, составляемые специально в каждом конкретном случае с учетом особенностей изучаемой профессии. Опросники должны составляться в зависимости от целей и задач эргономического исследования. Прежде чем составлять опросник, исследователь должен некоторое время понаблюдать за работающими или, что еще лучше, сам освоить основные трудовые операции. Затем составляется первый вариант опросника, который апробируется на малом количестве испытуемых. На этом этапе проверяются ясность формулировок вопросов, полнота включенного перечня вопросов, уточняется последовательность вопросов с целью устранения нежелательных влияний, дополнительно вносятся вопросы, освещающие упущенные аспекты изучаемой проблемы, апробируется форма составления опросника с тем, чтобы он не вызвал отрицательного отношения со стороны опрашиваемых [51].

Комплексный подход предполагает использование методов опроса, которые получили широкое распространение в практике эргономических исследований в форме анкетирования и интервьюирования. Методы опроса, как и наблюдения, используются в эргономике для разработки рабочих гипотез и в целях дополнения данных, полученных с помощью других методов. При применении методов опроса большое значение имеют характер вопросов, их формулировка и направленность. Различают открытые вопросы (свободный ответ) и закрытые (ответ заключается в выборе из нескольких предлагаемых утверждений).

В целях правильной постановки вопросов необходимо учитывать следующее: 1) каждый вопрос должен быть логически законченным; 2) следует избегать малораспространенных иностранных слов, специальных терминов и слов с двойным значением; 3) нельзя задавать слишком длинных вопросов; 4) если вопрос касается предмета, с которым опрашиваемый недостаточно знаком или для ответа на который он не имеет необходимого запаса специальных терминов, необходимо дать соответствующие пояснения; 5) каждый вопрос должен быть возможно более конкретным; 6) следует или указать все возможные варианты ответа, которые опрашиваемому необходимо иметь в виду, или не давать ни одного; 7) необходимо предлагать опрашиваемому только такие варианты ответов, каждый из которых может быть приемлем в равной степени; 8) нужно формулировать вопрос таким образом, чтобы избегать стереотипных, шаблонных ответов; 9) следует остерегаться включения в вопрос слов, которые сами по себе могут вызвать негативное отношение опрашиваемого; 10) вопрос не должен иметь внушающего характера [51].

В качестве примера приведем два вида опросника. Первый был использован при изучении деятельности диспетчеров объединенных энергосистем и диспетчеров по распределению билетов на вокзалах. Цель исследования -- разработка оптимального варианта рабочего кресла диспетчера. Поэтому вопросы были направлены на выяснение субъективного отношения к существующему креслу и пожеланий относительно его усовершенствования. Второй опросник был применен для исследования работы намотчиц катушек трансформаторов с целью реконструкции рабочего места.

ОПРОСНИК 1

А. Фамилия, имя отчество. Б. Возраст. В. Должность. Г. Стаж работы. Д. Продолжительность рабочего дня.

1. Удобно ли Вам сидеть (да, нет)?

2. Что вызывает чувство неудобства?

3. В какой части тела ощущается боль (спина, поясница, плечи)?

4. Удобно ли действовать руками (да, нет)?

5. Нужно ли, чтобы сиденье вращалось (да, нет)?

5. Целесообразно ли, чтобы стул был на роликах (да, нет)?

7. Нужна ли опора спине, пояснице при работе (да, нет)?

8. Нужна ли качающаяся спинка (да, нет)?

9. Сиденье должно быть плоское, отклонено назад, вперед?

10. Нужны ли подлокотники (да, нет)?

11. На каком уровне должна быть опора для спины (лопаток, плеч, поясницы)?

12. Каким должно быть сиденье (мягким, полумягким, жестким)?

13. Какой должна быть обивка (ткань, клеенка, дермантин)?

ОПРОСНИК 2

А. Фамилия, имя, отчество. Б. Возраст. В. Должность. Г. Стаж работы в качестве намотчицы. Д. Продолжительность рабочего дня. Е. Номер станка. Ж. Тип станка. 3. Норма выработки за смену. И. Тип намотки.

1. Удобно ли Вам работать (да, нет)?

2. Что вызывает чувство неудобства?

3. Какие части тела наиболее устают в процессе работы (спина, поясница, плечи, шея, руки, ноги)?

4. В какой части тела и когда ощущается боль (спина, поясница, плечи, шея, руки, ноги; в процессе работы, в начале дня или после работы)?

5. Испытываете ли Вы физическое напряжение при повороте рычагов управления, при нажатии педали (да, нет)?

6. Удобно ли действовать руками (да, нет)?

7. Устраивают ли Вас размеры станка: высота (да, нет), глубина (да, нет), ширина (да, нет)?

8. Устраивают ли Вас высота стула (да, нет), форма (да, нет)?

9. Нужна ли спинка стула (да, нет)?

10. На каком уровне должна быть опора для спины (лопаток, плеч, поясницы)? П. Целесообразно ли иметь качающуюся спинку стула (да, нет)?32. Каким должно быть сиденье (мягким, полумягким, жестким)?

13. Какой должна быть обивка (ткань, клеенка, дермантин)?

14. Должно ли вращаться сиденье (да, нет)?

15. Нужны ли подлокотники (да, нет); для обеих рук (да, нет); для левой (да, нет)?

16. Нужна ли опора для ног (да, нет)?

17. Часто ли Вам приходится вставать во время работы?

Как видно из приведенных опросников, сначала задаются общие вопросы: «Удобно ли Вам работать?», «Удобно ли Вам сидеть?», «Что вызывает ощущение неудобства?», ответы на которые малоинформативны, но способствуют установлению контакта с опрашиваемым. Далее следуют вопросы о субъективном отношении к элементам рабочего места, например: «Устраивают ли Вас размеры пульта (высота, глубина, ширина)?» Затем задаются вопросы о самочувствии работающего. В последнюю очередь записываются пожелания опрашиваемого.

Как правило, опрос проводится непосредственно на рабочем месте, в процессе трудовой деятельности. Но можно производить опрос и в лабораторных условиях с использованием опытных образцов изделий или экспериментального стенда.

Эффективность использования метода опроса во многом зависит от уровня образования обследуемых и их профессионального опыта. Так, например, диспетчеры энергосистем -- это опытные высококвалифицированные специалисты, работающие в очень сложных условиях. Прежде чем стать диспетчерами, они проработали определенное время на других энергообъектах. При опросе их были получены исчерпывающие ответы.

Диспетчерами по распределению билетов на вокзалах работают в основном женщины со средним и неполным средним образованием. Производственный опыт у них очень незначителен, в силу чего на многие вопросы был получен ответ: «Не знаю». Что касается работниц завода, то они по-разному отвечали на общие и конкретные вопросы. Например, на вопрос: «Удобно ли Вам работать?» они почти всегда отвечали положительно. Ответы на конкретные вопросы варьировали в большей степени. Работницы жаловались на общую усталость, локализованные боли, отмечали недостатки в конструкции станка, стула и т. д.

Данные опроса обрабатываются статистически. Результаты обработки представляются в виде описания, причем разграничиваются данные наблюдения и субъективные замечания обследуемого. Описываемый материал сопровождается таблицами и графиками соответствующих данных. В таблицах следует указывать процентное соотношение того или иного показателя по данным всех обследований.

При наблюдении, сочетаемом с опросом, важно найти рациональный способ фиксации ответов. Лучше всего, если в протоколе (или схеме наблюдения) будут предусмотрены различные варианты ответов. На простые вопросы следует отвечать однозначно: да, нет, не знаю. Следует, по возможности, предусмотреть заранее, на какие вопросы могут быть даны более развернутые ответы.

Особое значение приобретает наличие общей схемы наблюдений при параллельной работе нескольких исследователей. Это позволяет объединять и сравнивать результаты. Однако в этих случаях должны быть разработаны четкие инструкции по ведению наблюдений и записи результатов.

Объективные (инструментальные) методы исследования предполагают использование различных приборов и аппаратуры. К объективным методам исследования относятся: измерение различных характеристик производственной среды (освещенность, шум, вибрация и т. п.), метрические измерения, хронометраж, измерение физиологических показателей (пульс, дыхание, ЭКГ и т. п.), измерение психологических характеристик.

Первый и два последних метода требуют применения довольно сложной контрольно-измерительной аппаратуры. Применение же второго и третьего методов не имеет такого ограничения.

При решении вопросов совершенствования организации труда и повышения его эффективности могут играть существенную роль данные о размерах производственного помещения, его отдельных элементов, о расположении окон, дверей, а также данные о габаритах оборудования, рабочих мест и т. п.

Пространственная организация рабочего места влияет на характер и качество рабочих движений, рабочую позу и т. п. Поэтому анализ пространственной организации рабочего места должен осуществляться на начальных этапах профессиографического исследования. Ниже приводится схема проведения анализа пространственной организации рабочего места при его реконструкции [74].

СХЕМА ПРОВЕДЕНИЯ АНАЛИЗА ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ОРГАНИЗАЦИИ РАБОЧЕГО МЕСТА

1. Выделение основных типов сенсорной активности (зрительная, слуховая, зрителыю-кинестетическая и т. п.).

2. Выявление характера моторной активности.

3. Пространственное определение зон сенсорной активности.

4. Пространственное определение зон моторной активности.

5. Составление эскиза расположения основного оборудования относительно работающего с указанием основных сенсорных и моторных зон.

6. Составление эскизов расположения вспомогательного оборудования относительно работающего человека.

7. Составление общего эскиза рабочего места.

8. Анализ полученного материала.

Работа проводится следующим образом.

Путем наблюдения за действиями работающего человека определяются основные и вспомогательные типы оборудования, зоны моторной и сенсорной активности. Затем путем опроса и наблюдения выявляются основное рабочее положение и поза работающего.

Эскизы дают возможность выявить несоответствие существующей пространственной организации рабочего места психофизиологическим и антропометрическим характеристикам человека. Дальнейший их анализ с учетом основных эргономических требований позволяет дать рекомендации относительно оптимальных путей реконструкции рабочего места.

Одним из методов объективного наблюдения является хронометраж -- регистрация изменений во времени каких-либо параметров трудового процесса с помощью секундомера или часов. Хронометраж позволяет определить различные временные характеристики трудового процесса, на основании которых можно установить распределение затрат времени на выполнение различных операций и на устранение помех, фактические затраты времени на изготовление единицы продукции и сменной нормы, потери времени на действия, опосредованно влияющие на трудовую деятельность (уход с рабочего места, отсутствие материала и пр.), определить динамику двигательной и сенсорной активности человека и других показателей работоспособности. Хронометраж не должен оказывать влияния на естественное протекание трудового процесса. При изучении профессии проводится хронометраж как отдельных периодов работы, так и рабочего дня в целом, в разные смены, дни недели и т. п.

Как и любому методу объективного исследования, проведению хронометража предшествует специальная подготовка, заключающаяся в определении и изучении трудовых операций. Главная предпосылка правильного проведения хронометража состоит в выделении операций.

Одной из разновидностей хронометража является хронография, заключающаяся в графическом способе фиксации временных характеристик. В условиях производства с помощью хронографии анализируются состояние и динамика двигательной и сенсорной активности человека в процессе труда.

Объектом исследования при хронографировании могут служить рабочие движения (скорость, направление, амплитуда) и рабочая поза, число зрительных, слуховых и тактильных обращений к объекту труда, средствам предъявления информации т. п.

3.4 Методы исследования исполнительной и познавательной деятельности

Содержание методов исследования движений определяется, с одной стороны, совокупностью параметров, характеризующих процесс реализации движения, а с другой -- способами регистрации этих параметров.

Выделение комплекса параметров, описывающих процесс реализации движения, связано в первую очередь с выбором определенной концептуальной модели, описывающей работу двигательной системы (биомеханическая модель, физиологическая модель нервно-мышечного аппарата и др.). Осознание этого обстоятельства позволяет наметить подход к классификации методов исследования движений. Так, кинематические (характеристики пространственного перемещения) и динамические (силовые) параметры движений и способы их регистрации связаны с разработкой биомеханической модели двигательной системы, а электромиографические методы исследования обязаны своим существованием разработке физиологической модели нервно-мышечного аппарата.

Характеристику методов исследования движений следует начать с циклограммы, которая представляет собой фотосъемку движения на неподвижную пластинку. Для этого на подвижных частях тела испытуемого укрепляются светящиеся метки или электрические лампочки. Перед фотоаппаратом помещается обтюратор с определенной частотой, закрывающий объектив. На фотопластинке фиксируются последовательные положения лампочек, которые перемещаются в процессе выполнения движения вместе с кинематическими звеньями исследуемого тела. Для регистрации сложных циклических действий этот способ не применим. При кимоциклографии фотопленка, на которой фиксируется информация о перемещении лампочек, равномерно и медленно перемещается. В этом случае циклические действия растягиваются на регистрирующей пленке. Описанные методы циклографии и кимоциклографии предназначены для плоскостной регистрации перемещений.

Для исследования пространственных перемещений применяются различные модификации вышеупомянутых методов: стереоскопическая съемка, т. е. съемка двумя объективами с параллельными оптическими осями, съемка объективами с конвергирующими оптическими осями и др. Используется также «зеркальная методика», позволяющая получать снимки объекта с двух различных точек зрения при помощи одного фотоаппарата и одного обтюратора. В объектив фотоаппарата попадают два изображения одного и того же исследуемого объекта: одно--непосредственно от объекта, а второе -- отраженное под определенным углом через зеркало. Этот метод обеспечивает большую точность пространственных измерений и удобство анализа экспериментального материала.

Анализ циклограммы является достаточно трудоемким процессом. Для анализа перемещения различных точек тела в пространстве пользуются методами фотопромеров и номограмм.

В первом случае негативы циклограмм печатаются при помощи увеличителя на фотобумаге. Тем же путем на позитив накладывается миллиметровая или полумиллиметровая сетка, что значительно облегчает работу с материалом и повышает точность измерения. Метод номограмм позволяет значительно упростить определение всех трех пространственных координат зеркальных циклофотодокументов.

С помощью метода циклографии можно проводить достаточно тонкий анализ некоторых двигательных актов. Разработана методика циклографирования движений руки при гаптическом (вслепую) прохождении лабиринта, на основании которой удалось дифференцировать ориентировочно-исследовательские движения руки от исполнительных. Пользуясь циклографической регистрацией, в составе осязательных движений руки выделили движения, выполняющие функции построения образа и опознания. В этих случаях движения также регистрировались в одной плоскости.

Существует еще ряд методов, используемых при исследовании различных двигательных задач. К ним следует отнести методы измерения напряженности магнитных и электромагнитных полей, тензометрический, голографический, радиолокационный и др. Метод измерения напряженности магнитных и электромагнитных полей применяется для исследования сравнительно малоамплитудных и угловых перемещений. Тензометрический метод, как и гониографический (о последнем будет более подробно сказано ниже), используется для макро- и микроугловых измерений. Особенно широкое применение получила тензометрическая методика для измерения макроизменений суставного угла при исследовании тремора. Телевизионный, голографический и радиолокационный методы в настоящее время еще не нашли должного развития в области исследования движений. Телевидение используется в основном как индикационное устройство. Это связано с тем, что получение с телесистем пространственных параметров в виде электрических сигналов, удобных для анализа перемещений объекта, представляет определенные трудности. Преодоление последних идет по пути широкого внедрения ЭВМ в область эргономических исследований. Методы голографии и радиолокации используются пока довольно редко, хотя и являются весьма перспективными. Пожалуй, самым удобным и распространенным методом для измерения угловых перемещений является гониография. Гониография, дающая показания об изменениях пространственного положения сочленения кинематической цепи, используется для целей искусственной обратной связи. Однако получение электрических сигналов, адекватных пространственному перемещению конечной точки открытой кинематической цепи, оснащенной гониометрическими датчиками, представляется достаточно сложной технической задачей. Поэтому применение этого метода при исследовании пространственных перемещений изучаемого объекта существенно ограничено.

В арсенал методических средств исследования исполнительной деятельности входят и специальным образом организованные экспериментальные ситуации. Последние включают в себя различные переменные, которые можно рассматривать в качестве существенных условий, определяющих выполнение двигательных задач. Одной из широко распространенных экспериментальных ситуаций, применяемых в исследованиях исполнительной деятельности, является слежение.

Применительно к исследованию исполнительной деятельности человека ситуация слежения может рассматриваться в двух планах: как лабораторная модель различных видов практической деятельности человека (работа оператора РЛС, управление различными транспортными средствами и др.) и как экспериментальный прием решения некоторых теоретических проблем, возникающих при анализе двигательного поведения.

В ситуации слежения испытуемому предлагается совершать движение, параметры которого (скорость, направление, амплитуда, время) должны удовлетворять параметрам движущейся цели, с которой согласуется собственно движение испытуемого. Специфика ситуации слежения (в отличие от «точностной задачи» и задачи «сохранения постоянства» параметров движения) состоит прежде всего в том, что в данном случае двигательное поведение испытуемого жестко детерминировано практически по всем параметрам движения.

Для описания слежения обычно употребляют несколько следующих терминов: задающий или эталонный объект (или «цель») -- объект, закон движения которого задается посредством определенной входной функции. Управляемый объект (или «курсор») -- это объект, которым управляет испытуемый, воздействуя на орган управления. В движении управляемого объекта (выходная функция) реализуется двигательное поведение испытуемого в заданной ситуации.

Задача слежения, таким образом, состоит в том, чтобы значение выходной функции точно соответствовало значению входной функции в соответствующий момент времени, а испытуемый должен на основе воспринятой информации выработать корректировочное воздействие, устраняющее рассогласование со значениями входной и выходной функции. В зависимости от того, насколько жестко детерминировано двигательное поведение испытуемого и какую информацию о слежении он получает, выделяют два класса переменных, определяющих ситуацию слежения.

Первый класс переменных связан с типом используемой входной функции, который определяется, прежде всего, характером динамики входной функции во времени. Различают непрерывную и дискретную задачи слежения. При непрерывном слежении параметры входной функции непрерывно изменяются во времени. Если же значения входной функции изменяются в отдельные моменты времени «скачками», то мы имеем дело с задачей дискретного слежения.

Второй класс переменных связан с характером информации о ходе решения задачи слежения. В зависимости от того, движется Цель или она неподвижна, различают соответственно преследующее и компенсаторное сложение. В случае преследующего слежения испытуемый получает информацию трех видов: о движении цели, о собственном движении «преследования» цели и о рассогласовании (или об ошибке) положения цели и курсора. В ситуации компенсаторного слежения цель неподвижна, а испытуемый должен на ней удерживать управляемый объект, который подвергается возмущающим воздействиям и отклоняется от требуемого положения. В этом случае информация о собственных регулирующих воздействиях на управляемый объект и характеристики входной функции неразличимы. При решении задачи используется только информация о величине отклонения курсора относительно цели.

В зависимости от прикладной или теоретической направленности изучения слежения по-разному формировались основные задачи исследования и конструировались специфические экспериментальные процедуры, предполагающие, в частности, реализацию определенного вида слежения. Так, при использовании слежения как прикладного метода, как правило, применялось и применяется компенсаторное слежение. Это объясняется прежде всего тем, что основной интерес в этом случае направлен на анализ различных переменных, оказывающих влияние на величину рассогласования между положением задающего и управляемого объектов, и перемещение органа управления с целью минимизации ошибки. Поэтому желательно максимально упростить экспериментальную процедуру и исключить из рассмотрения влияние «избыточных» каналов информации на процесс решения задачи. Напротив, в случае применения слежения для анализа теоретических проблем (например относительно роли эфферентных систем в регуляции движений) богатство информационного поля в ситуации преследующего слежения обеспечивает более широкие возможности.

Использование слежения как средства анализа исполнительной деятельности предполагает выбор и моделирование в экспериментальных условиях (или в условиях обучения операторов при работе на тренажерах) различных переменных, обусловливающих процесс решения двигательной задачи. Среди таких переменных слежения наиболее распространены: временная задержка (т. е. интервал времени между управляющим воздействием и изменением регулируемой величины на входе), одновременное управление несколькими параметрами (многостепенное управление), в том числе и взаимозависимыми, манипулирование зрительной обратной связью (прерывание, инвертирование), дополнительная задача. Введение указанных переменных, а также использование различных видов слежения в сочетании с другими методами анализа движений обеспечивает решение широкого круга прикладных и теоретических задач.

Необходимым условием успешного изучения двигательных актов является создание адекватного способа регистрации и анализа пространственно-временной развертки исполнительных действий. Этому требованию удовлетворяет экспериментальный стенд для исследования инструментальных двигательных навыков.

Функциональная блок-схема экспериментального стенда (рис. 1) включает:

систему управления объектом;

цветной телевизионный индикатор;

управляющую ЭВМ, которая работает как в режиме счета для многомерной статистической обработки результатов, так и в режиме управления экспериментом.

Система управления объектом включает многостепенный орган управления, тензометрический усилитель и блок операционных усилителей.

Орган управления манипуляторного типа (датчик пространственного перемещения руки оператора) представляет собой параметрическую модель руки человека; конструктивно выполнен как шарнирное соединение трех кинематических звеньев посредством одностепенных шарниров и имеет три степени подвижности. Всякое пространственное перемещение точки приложения оператором управляющего усилия трансформируется в соответствующие изменения углов, образованных кинематической схемой органа управления. Входными параметрами являются текущие значения тригонометрических функций углов, формируемые синусно-косинусными датчиками, установленными на осях вращения звена. По ним в аналоговом вычислительном блоке строится пространственная математическая модель органа управления относительно прямоугольной декартовой системы координат. Конструктивное решение органа управления позволяет сохранять содержание и естественную направленность мануальных движений оператора, хотя система управления предусматривает возможность нарушать однородность и. соответствие моторного и сенсорного полей введением коэффициентов сжатия пространства или введением электрической инверсии направления одноименных векторов.

Используемый в экспериментальной установке цветной телевизионный индикатор можно назвать иллюзорно-изобразительным, так как за счет изменения величины управляемого сигнала создается впечатление объемности тестовых и управляемого сигналов. Индикатор выполнен на базе промышленного цветного телевизионного приемника и блока управления. В соответствии с подаваемыми на выходы блока управления аналоговыми электрическими сигналами на экране индикатора формируются световые сигналы различных цветов. Впечатление объемности достигается управлением изменения площади высвечиваемых сигналов. Перемещение световых сигналов в поле экрана осуществляется по горизонтали (X), вертикали (У) и изменению их световой площади(Z). Независимость управления световыми стимулами по параметрам X, У, Z позволяет кодировать ими пространственные координаты перемещения объекта управления и формировать систему отсчета сенсорного поля оператора. Управляющие координатные сигналы строятся в блоке управления объектом по уравнениям связи пространственного движения руки оператора и органа управления.

Управляющая ЭВМ может эксплуатироваться в двух режимах: в активном режиме и режиме счета. Программы управления экспериментом и обработки полученных результатов реализуются по интерпретирующей системе на ЭВМ М-6000 системы АСВТ. Ведение эксперимента осуществляется в режиме диалога с машиной по принципу приоритетного обслуживания следующих устройств связи с объектом: модуля ввода дискретной информации сигналов управления экспериментатора и испытуемого; модуля группового управления выводом дискретной информации тестовых сигналов зрительного канала связи оператора; бесконтактного коммутатора; аналого-цифрового преобразователя, воспринимающего аналоговые сигналы относительно положения руки испытуемого в пространстве.

Использование ЭВМ на линии эксперимента дает возможность предъявлять на экране меняющиеся по сложности, числу элементов и количеству составляющих маршруты движения; вводить сбои в привычное протекание действия, выражающееся в изменении траектории движения; вводить инверсию, т. е. нарушать привычное соотношение перцептивного и моторного полей. Стыковка с ЭВМ облегчила трудоемкую ручную обработку десятков тысяч измерений; позволила получать точностные и скоростные характеристики движения непосредственно в течение эксперимента.

Описанный многоцелевой экспериментальный стенд позволяет регистрировать пространственно-временные -- скоростные и точностные-- параметры исследуемого процесса. Движения ручки-манипулятора записываются на ленте многоканального полиграфа в виде трех составляющих по оси X, У, Z. На отдельном канале регистрируются сигнал от ЭВМ о предъявлении новой матрицы и сигналы испытуемого о совмещении с каждым элементом данной матрицы.

Движение управляемого пятна записывалось одновременно и из магнитофон, что давало возможность воспроизвести траекторию движения на графопостроителе, а также ввести данные эксперимента в ЭВМ для обсчета.

Применение микроструктурного анализа, смысл которого заключается в выделении быстро текущих компонентов целостного действия, позволило выделить по каждой составляющей X, У, Z пространственного движения следующие стадии: латентную, фази-ческую (реализующую) и стадию контроля и коррекций. На рис. 2 представлен образец записи перехода на один элемент в одном из маршрутов движения. На рис. 2 отчетливо видно, что движению

по каждой составляющей предшествует значительный латентный период. После активного движения по каждой составляющей регистрируется длительный период относительного покоя, предшествующий сигналу испытуемого о совмещении управляемого пятна с элементом матрицы. Этот период можно рассматривать как период коррекций, характеризующийся мелкими движениями по той или иной составляющей, и период контроля за качеством совмещения. Как видно из рисунка, время длительности стадий по каждой составляющей неодинаково: программирование по одной составляющей по сравнению с другой идет с некоторым запаздыванием, т. е. возможно последовательное планирование по каждой составляющей. Аналогичным образом с некоторым сдвигом происходят и реализация и контролирование.

Эти данные послужили основанием для выделения так называемого «чистого времени» блоков-стадий: БФП -- блока формирования программы, БР -- блока реализации, БКК -- блока контроля и коррекций, а также двух стадий разброса: Дt₁, включающую в себя одновременно и планирование и реализацию, и Дt₂, объединяющую реализацию и контролирование. «Чистое время» каждого блока -- это то время, когда составляющие движения функционируют в терминах, присущих именно этому блоку, будь то планирование, реализация или контролирование. Разброс, характеризующийся величиной Дt₁ и Дt₂, дает представление о разбросе не только внутри одной стадии, но также между стадиями движения, характеризуя степень пространственности осуществляемого действия.

Эксплуатация многоцелевого экспериментального стенда открывает широкие возможности для исследования процессов управления и построения движений.

Для решения целого ряда прикладных задач весьма эффективным оказывается использование современных методических средств анализа когнитивных процессов.

Для целого ряда современных операторских профессий решающей является способность зрительного обнаружения и различения критических элементов, предъявляемых на фоне других, отличающихся по одним и совпадающих по другим признакам элементов (экраны радиолокаторов, фотографии событий в камерах Вильсона, рентгеновские снимки и т. д.). Оптимизация такого рода деятельности связана в первую очередь с анализом свойств зрительной системы как фильтра пространственных и временных частот. Психофизические исследования на человеке и психофизиологические исследования на животных [21] показали, что в зрительной системе существуют каналы переработки информации, специфичные по отношению к определенным пространственным частотам изображения. Им свойственна максимальная чувствительность к синусоидально-модулированному распределению яркости, имеющему определенную пространственную частоту. Таким образом, зрительная система структурно и функционально способна к осуществлению частотного анализа любого изображения, подобно тому как аналитически некоторая функция может быть представлена в виде сумм синусоидальных компонент при ее Фурье-разложении.

Характеристики этих частотно-специфических каналов определяют функцию контрастной чувствительности зрительной системы (рис. 3), которая показывает, насколько различные пространственные частоты изображения усиливаются или, наоборот, ослабляются при прохождении через зрительную систему Функции контрастной чувствительности строят, определяя минимальную глуоину моауляции синусоидального распределения яркости, отличаемого от гомогенного поля.. Несмотря на то что в силу нелинейности этих преобразований [85] функции контрастной чувствительности адекватно характеризуют возможности нашего зрения только для околопороговых интенсивностей стимуляции, она содержит существенно более полную информацию, чем многочисленные традиционные показатели «остроты зрения». Кроме того, при оценке любых средств зрительного отображения в первую очередь возникает вопрос о том, может ли быть вообще воспринята некоторая информация. Поэтому проблема надпороговой нелинейности зрительной системы в данном контексте не столь существенна.

Рассмотрим более внимательно изображенную на рис. 3 функцию. Хорошо известному факту неразличимости достаточно мелких деталей соответствует падение правой ветви кривой чувствительности в области высоких пространственных частот. Этот недостаток зрения компенсируется с помощью различных способов увеличения угловых размеров изображения. Менее известным является факт сниженной чувствительности зрения к низким пространственным частотам, отражающимся в снижении левой ветви графика. Учет этого факта имеет большое значение, например, при рентгенологии, так как мягкие ткани и опухоли представлены на снимках именно низкочастотными, градуальными признаками яркости. Таким образом, в зависимости от того, в какой части спектра изображения может содержаться критическая информация, целесообразным оказывается не только увеличение, но и уменьшение размеров изображения. Поскольку диапазон возможных изменений угловой величины деталей весьма велик (примерно 1:20), ясно, что этого нельзя достигнуть простым изменением удаленности снимка.

Интересным развитием этого подхода является дополнение анализа пространственной чувствительности информацией о временной разрешающей чувствительности глаза. Эти исследования, в частности, позволили установить, что возможность различения характеристик формы объектов снижается, если пространственно-временные усилия предъявления совпадают с условиями, в которых наблюдается кажущееся (стробоскопическое) движение [18]. налогичное восприятие быстродвижущихся реальных предметов хорошо известно каждому. Близкой областью прикладных исследований, испытавшей сильное влияние экспериментальной психологии, является область проектирования и создания многомерных устройств отображения информации. Здесь задача проектировщика состоит в том, чтобы по возможности одновременно и без интерференции сообщить оператору множество разнородных сведений, которые по отдельности или же в некоторой комбинации определяют правильность принимаемых им решений. Вся история работ в этой области показывает, что идеальным примером решения этой задачи является наше повседневное предметное восприятие, интегрирующее в единый, целостный образ не только разнообразную сенсорную информацию, но также данные, хранящиеся в памяти. Поэтому все более интересные разработки в этой области в большей или меньшей степени опираются на использование экологически естественных механизмов перцептивной обработки, детали которых выявляются с помощью разнообразных методик изучения восприятия. Так, исследования по психофизике восприятия пространства и движения [84] дали начало целому семейству хорошо описанных в специальной литературе устройств отображения типа контактных аналогов-- «коналогов». В сочетании с возможностью обращения к точной цифровой информации о каждом из критических параметров ситуации «коналоги» позволяют одновременно учитывать многомерную пространственно-динамическую информацию о положении таких объектов, как самолет, ракета, подводная лодка и т. п.

...