Компьютерные тренажеры как инструмент экспериментального исследования операторской деятельности

Размещено на http://www.allbest.ru/

Компьютерные тренажеры как инструмент экспериментального исследования операторской деятельности

В. М. Дозорцев, В. А. Назин

Институт проблем управления им. В. А. Трапезникова РАН (Москва) vdozortsev@mail.ru

Анализируются возможности и преимущества использования компьютерных тренажеров сложных технологических процессов в качестве платформы экспериментально-психологических исследований деятельности человека-оператора. Рассматриваются факторы, определяющие валидность экспериментов, проводимых на тренажерах. Приводятся примеры двух пилотных исследований, иллюстрирующих специфику тренажерных психологических экспериментов.

Ключевые слова: человек-оператор, технологический процесс, компьютерные тренажеры, психологический эксперимент, внутренняя и внешняя валидность.

Актуальность психологического исследования профессионально значимых характеристик операторов технологических процессов (ТП) исчерпывающе объясняется «ценой» человеческого фактора в данной высоко опасной сфере деятельности. Последствия крупнейших в истории аварий, вызванных некачественным операторским управлением, исчисляются (в сопоставимых ценах) несколькими миллиардами долларов каждая и сопровождаются огромными ущербами для экологии, жизни и здоровья людей. В то же время специфические условия работы оператора, управляющего крайне сложным, инерционным, огромным по количеству динамических параметров, дорогостоящим и взрывоопасным объектом, исключают проведение исследований непосредственно на рабочем месте. Не случайно поэтому преобладание в исследованиях методик, основанных на вербальных протоколах операторских действий (Bainbridge, 1974), хотя предпринимались и попытки имитировать в эксперименте отдельные фрагменты объекта управления либо тестовые аварийные условия (Duncan, 1974; Галактионов, Грошев, 1996). Представляется, что именно невозможность с достаточной точностью и полнотой имитировать в эксперименте работу ТП стала причиной угасания интереса к таким экспериментальным исследованиям в отечественной и зарубежной инженерной психологии после всплеска работ 70-80 годов прошлого столетия.

Вместе с тем вне связи с экспериментально-психологической тематикой последние три десятилетия продемонстрировали настоящий прорыв в технологии создания и практике использования компьютерных тренажеров (КТ) для обучения операторов технологических процессов. Это объясняется тремя обстоятельствами: 1) успехами математического моделирования, позволяющими создавать высокоточные динамические модели физико-химических феноменов ТП; 2) возможностью практически точно воспроизводить в тренажерах операторскую среду управления (в рассматриваемом классе ТП - повсеместно компьютерную, в отличие от авиационных и морских тренажеров, где высок объем кинестетической информации); 3) продвинутой методической базой обучения, включая реализацию разнообразных инструкторских функций, таких как дистанционные вмешательства в ход моделируемого ТП, воспроизведение любого динамического состояния процесса, детальное протоколирование всех событий тренажерной сессии. При этом эффективные методики компьютерного тренинга базируются на когнитивных механизмах формирования и закрепления навыков операторской деятельности, специфичных для разных ее стадий и различных по участвующим в ней психическим процессам (Дозорцев, 2009).

Важно отметить, что качественные требования к тренажерам очень строги из-за возможности формирования «ложного навыка» для столь опасного вида деятельности. Залог их выполнения (помимо адекватности модели ТП и среды управления) состоит в обеспечении необходимого (как правило, очень высокого) уровня подобия деятельности оператора в тренинге и в реальной работе. Это применимо также и к мотивационному аспекту операторской деятельности, учитываемому в современных тренажерах за счет имитации основных стрессовых факторов работы оператора (стресс возможных потерь и стресс ограниченного времени на принятие решений) (Дозорцев, 2007).

Из вышесказанного, казалось бы, с очевидностью вытекает идея использовать тренажеры как платформу экспериментально-психологических исследований характеристик человека-оператора. На практике этого не происходит, но перед обсуждением путей преодоления такого положения проанализируем КТ с позиций психологического эксперимента, а точнее - с позиций обеспечения валидности эксперимента с учетом специфики операторской деятельности.

Как известно, внешняя валидность, определяющая возможность переноса результатов эксперимента на другое время, место, условия и группы людей, является высокой, если уровень дополнительных переменных в эксперименте соответствует их уровню в реальной деятельности. Указанный перенос возможен, если соблюдаются два условия: 1) собственно эксперимент репрезентативен, т. е. соответствует реальной ситуации, и 2) сама реальная ситуация типична. Представительность тренажерного эксперимента обеспечивается достигаемым в современных КТ подобием модели и среды управления реальному ТП. Репрезентативность экспериментальной ситуации ограничивается «фантазией» исследователя, отбирающего для эксперимента те или иные смоделированные события. Как правило, в тренажере имитируются нештатные и аварийные ситуации, либо имеющие практические прецеденты, либо «придуманные» опытными экспертами, чьи оценки, будучи субъективными, все же отражают технологическую реальность и теоретические преставления об устройстве моделируемого объекта.

Конечно, следует учесть общие факторы, снижающие внешнюю валидность, такие как эффект тестирования, фактор отбора и интерференция экспериментальных воздействий. Однако, с точки зрения воспроизведения собственно предмета деятельности, эксперимент на тренажере приближается к так называемому эксперименту полного соответствия.

Обеспечение внутренней валидности, как и в большинстве любых психологических экспериментов, в рассматриваемом случае - сложная задача, требующая от экспериментатора немалой изобретательности. Основные факторы, нарушающие внутреннюю валидность, в тренажерных экспериментах таковы:

– факторы выборки (неэквивалентность групп, экспериментальный отсев);

– побочные переменные (инструментальная погрешность фиксации действий испытуемого, эффект истории, взаимодействие факторов).

Проиллюстрируем влияние факторов, определяющих валидность, и методы их учета в эксперименте на примере двух пилотных исследований, проведенных на КТ и вызванных к жизни «внутритренажерными» проблемами - необходимостью обосновать те или иные нововведения в компьютерном тренинге.

Эксперимент № 1.

Эффективность экологического операторского интерфейса

Операторский интерфейс - важный элемент системы компьютерного управления, посредством которого оператор получает практически всю информацию о ТП и осуществляет управление им. Интерфейсы, как правило, построены в соответствии со структурой элементов ТП и их взаимосвязей - от обзора всей установки,

через крупные технологические блоки к отдельным аппаратам и технологическим позициям. Однако, будучи удобными для управления в режимах, близких к нормальным, такие жесткие интерфейсы часто неэффективны при наступлении нештатных и аварийных ситуаций, развивающихся вовсе не в соответствии с такой иерархической структурой ТП. Идея экологического интерфейса - дополнить традиционный интерфейс специальными средствами, облегчающими задачу диагностики причин нарушений и компенсации их последствий (показателями материального и теплового баланса, удобной навигацией «вдоль» развития нештатной ситуации и пр.).

Экологические интерфейсы разрабатываются и апробируются все шире, разработчики сообщают об их эффективности, хотя строгих исследований на этот счет не проводилось. Отметим, что на реальном объекте такое исследование провести невозможно, во-первых, из-за технических сложностей и небезопасности реализации одновременно двух типов интерфейсов, а во-вторых, из-за невозможности учесть исторические изменения реальной ситуации и, следовательно, сложности задачи оператора при работе в разных интерфейсах. Организовать такой эксперимент на тренажере существенно легче. План эксперимента приведен в таблице 1.

Четыре группы испытуемых (две экспериментальные и две контрольные) состояли из трех человек каждая - все студенты старших курсов профильных вузов в возрасте от 20 до 22 лет, с базовыми знаниями в области технологии, но без предварительной информации о моделируемом ТП. Проводилось усреднение групп по полу испытуемых и курсу обучения в вузе. Для каждой группы измерялось среднее время диагностики нарушений хода ТП по 30 смоделированным нештатным ситуациям в каждой из двух серий. Проверялась гипотеза снижения среднего времени диагностики при переходе на экологический интерфейс.

эксперимент психологический компьютерный оператор

Таблица 1

План эксперимента № 1

7 8

Примечание: Х - переход на экологический интерфейс; X' - возвращение к традиционному интерфейсу; O1-8 - средние времена решения задачи диагностики по группам.

Для первой экспериментальной и первой контрольной группы (две первые строки таблицы 1 проводилось предварительное тестирование (давшее результат O1 и O3, соответственно). Затем после небольшого перерыва для экспериментальной группы вводился экологический интерфейс (воздействие X), а для контрольной группы интерфейс не менялся. Сравнивались значения Д12= O1- O2 и Д34= O3- O4, что позволило нивелировать возможную нерановмерность групп, неучтенную при рандомизации. Выяснилось, что на статически достоверном уровне (F-критерий и t-критерий) Д12>Д34, хотя O1>O2 и O3>O4, что отражает действие эффекта научения (вторую серию задач все испытуемые решали значительно быстрее).

План эксперимента для второй экспериментальной и второй контрольной группы (третья и четвертая строки таблицы 1 был «обратным»: для обеих групп сразу вводился экологический интерфейс, а после перерыва для экспериментальной группы возвращался традиционный интерфейс (воздействие X'), в то время как вторая контрольная группа продолжала работу с экологическим интерфейсом. Сравнивались значения Д56= O5- O6 и Д78= O7- O8. Эффект научения и в этом случае приводил к тому, что O5>O6 и O7>O8, однако на статистически достоверном уровне Д56<Д78, т. е. отказ от экологического интерфейса увеличивал время диагностики.

Наконец, сравнение первых серий для второй экспериментальной и первой контрольной группы (третья и вторая строки таблицы 1) позволил уйти от влияния предварительного тестирования: на статистически достоверном уровне O5<O3, т. е. испытуемые, начавшие работать сразу в экологическом интерфейсе, диагностировали неисправности быстрее тех, кто работал в жестком интерфейсе. (Зафиксирован также результат O5<O1, поскольку первая экспериментальная группа также может рассматриваться как контрольная по отношению ко второй экспериментальной в исследовании без предварительного тестирования.)

Эксперимент № 2.

Полезность предтренажерного обучения диагностике

Управление сложным технологическим процессом невозможно без достаточного знания его динамики и причинно-следственных связей. Работа с тренажерной моделью без тех же знаний и навыков, хоть и безопасна для реального оборудования, но также неэффективна. Понимание этого привело к появлению так называемых систем «предтренажерной» подготовки операторов, в частности систем формирования навыка диагностики нарушений хода ТП. Для одной из таких систем (система «Диагност»), основанной на базе знаний о причинно-следственных связях ТП (Дозорцев, 2009), был проведен эксперимент, обосновывающий полезность ее использования перед компьютерным тренингом или реальной работой.

В эксперименте участвовали две группы испытуемых - студенты старших курсов и выпускники профильных вузов (по 3 человека в каждой группе). Группы усреднялись по полу и стажу обучения или работы испытуемых. План эксперимента приведен в таблице 2.

Таблица 2

План эксперимента № 2

3 4 5

Примечание: Х - обучение с помощью системы «Диагност»; O1-5 - средние времена решения задачи диагностики по группам.

Экспериментальная группа сначала проходила обучение на системе «Диагност» (воздействие Х), а затем, после часового перерыва, решала диагностические задачи на тренажере (решено было по 8 задач, среднее время решения - O1). После двухдневного перерыва (для проверки закрепления навыка) эта же группа решала на тренажере новую серию задач (среднее время решения - O2). Контрольная группа не проходила обучения с помощью «Диагноста», а сразу начала работу на тренажере, проведя три серии диагностики, разделенные часовым и двухдневным перерывом (среднее время решения в сериях - O3, O4 и O5 соответственно). При этом последние серии для каждой группы включали ранее не встречавшиеся нештатные ситуации. Были получены следующие статистически достоверные результаты:

а) O2<O1 и O5<O4<O3 (эффект научения, сохраняющийся при длительном перерыве и существенном обновлении задания);

б) O1<<O3 (предтренажерное обучение резко улучшает первую серию на тренажере). Этот результат представляется очевидным, поскольку помимо возможного специального эффекта предтренажерное обучение дает ознакомление с ТП; в) O1<<O4 и O1<O5 (предтренажерное обучение улучшает уже первую серию экспериментальной группы на тренажере в сравнении со второй и даже в сравнении с третьей серией в контрольной группе). Это центральный результат, подтверждающий полезность предтренажерного обучения.

Разумеется, приведенные результаты сугубо предварительные, скорее, лишь иллюстрирующие возможности тренажеров как полигонов экспериментальнопсихологических исследований. В то же время они показывают актуальность совместных усилий психологов и разработчиков компьютерных тренажеров. Оба профессиональных сообщества выиграют от таких междисциплинарных исследований: психологи получат серьезный экспериментальный инструмент, а тренажеростроители усилят методическую базу компьютерного тренинга. До сих пор такой кооперации не было, и обе группы исследователей использовали различные (иногда - непересекающиеся) теоретические и методические основы для решения общей задачи обеспечения эффективной и безопасной работы человека-оператора. Не способствовала совместным исследованием и принципиальная разница в экспертизах, и различная понятийная и терминологическая база. Преодолеть такую ситуацию, возможно, не так просто, но ожидаемые результаты могут с лихвой окупить затраченные усилия.

Литература

1. Галактионов А. И., Грошев И. В. Особенности формирования психического образа аварийных ситуаций при обучении операторов АСУ // Психологический журнал. 1996. Т. 17. № 2. С. 46-55.

2. Дозорцев В. М. Тренинг принятия интеллектуальных решений на примере задач диагностики: регулятивный и мотивационный аспекты // Материалы IV съезда Российского психологического общества. Ростов-на/Д. 2007. Т. 1. С. 324-325.

3. Дозорцев В. М. Компьютерные тренажеры для обучения операторов технологических процессов. М.: Синтег, 2009.

4. Bainbridge L. Analysis of Verbal Protocols from a Process Control Task // The Human Operator in Process Control / E. Edwards and F. P. Lees (eds). L.: Taylor and Francis Ltd, 1974. P. 146-158.

5. Duncan K. D. Analytical Techniques in Training Design // The Human Operator in Process Control / E. Edwards and F. P. Lees (eds). P. 283-319.

Размещено на Allbest.ru