Глава 12. Инженерная психология

Инженерная психология является частью общей психологии и, в свою очередь, представляет собой один из разделов космической психологии.

Инженерная психология родилась совсем недавно в связи с разработкой ряда новых проблем, порожденных научно-технической революцией и вызванным ею изменением трудовых процессов человека. Развитие автоматизации производства, а также создание автоматизированных систем управления привели к созданию нового типа работы - операторской.

Содержание труда оператора стало в большой мере психологическим, связанным с такими психическими процессами, как концентрация и переключение внимания, яркость восприятия, быстрое и прочное запоминание, организованное и логичное мышление. Если ранее главное место в трудовой деятельности занимало выполнение внешнедвигательных операций, что связано было с необходимостью рационализации приемов их выполнения, наиболее выгодных режимов труда, с приспособлением инструментов и станков к анатомо-физиологическим возможностям человека, то в настоящее время важен учет так называемого "психологического фактора". Важнейшие трудовые процессы, выполняемые оператором автоматизированных систем управления, требуют проникновения в их содержание и структуру.

То же относится и к решению проблемы приспособления машины к человеку. Уже недостаточно опираться на антропометрические и хронометрические данные и на чисто эмпирическую подгонку готовых технических систем к возможностям оператора. Просчеты в этом отношении, например перегрузка оператора поступающей информацией или возникающие у него состояния нервно-психического напряжения, делают работу оператора ненадежной, а это значит, что ненадежной становится и работа всей автоматизированной системы в целом, как бы надежно ни функционировали ее технические звенья.

Следовательно, одной из существенных задач инженерной психологии является создание надежных систем самоуправления и саморегулирования машин с сохранением у человека-оператора контрольных функций, а для этого необходимо изучение и описание психических процессов для их воспроизведения (моделирования) в технических устройствах и на этой основе передача ряда функций машине.

Все эти задачи составили тематику новых направлений - инженерной психологии и психологической бионики, получивших в последнее время ускоренное развитие также и в космонавтике.

Итак, взаимодействие человека с автоматическими техническими устройствами - машинами составляет главное содержание инженерной психологии, почему нередко и говорят о системе человек - машина, а в более конкретных случаях о системе летчик - самолет или космонавт - космический корабль. При этом подходе естественно, что человек становится подсистемой (или звеном) в этой общей системе, и понятно, что сближение процессов в технических устройствах и психических процессов человека приводит к необходимости общего принципа их описания. Отсюда и возникло описание психической деятельности, в частности контрольно-регулирующей, в теоретико-информационных понятиях, на логико-математическом языке, с помощью математических уравнений.

В Центре подготовки космонавтов им. Ю. А. Гагарина: у пульта тренажера космического корабля 'Союз' летчики-космонавты СССР А. В. Филипченко (справа) и Н. Н. Рукавишников

Смысл этого нового теоретического подхода состоит, собственно, в том, чтобы найти необходимые особенности как в машине, так и у человека с целью лучшего управления этой машиной. При этом важно представлять, что машины - это, по выражению Маркса, "созданные человеческой рукой органы человеческого мозга", которым человек передает выполнение операций, по своей силе (энерготратам) и скорости превышающих возможности человеческого организма. При этом происходит преобразование умственной, психической деятельности человека в систему операций, выполняемых машиной. Одновременно это порождает новую структуру психической деятельности - деятельности опосредованной, т. е. с помощью механизмов, машин. Передавая машине выполнение мыслительных операций, человек не только разгружает свой мозг, но и вооружает его, так как в результате может решать более сложные задачи.

Инженер-испытатель космического корабля 'Союз-11' В. И. Пацаев ведет киносъемку в условиях кратковременной невесомости

Когда мы говорим о взаимоотношениях в системе человек - машина, то, несомненно, прежде всего думаем о человеческом факторе, или о звене "человек" в этой системе. Важно, однако, учесть и оценить также и другое звено - машину, ибо от нее зависит действие человека и его роль в системе. Можно выделить несколько главных типов системы человек - машина. К ним относятся: работа на машине или аппарате в относительно стационарных условиях, например в цехе, когда человек чаще всего бывает активным участником процесса (работа токаря, фрезеровщика, аппаратчика); операторская работа, связанная в основном с процессами слежения, т. е. когда человек является относительно пассивным участником процесса; наконец, работа на транспортных средствах (шофер автомашины, машинист электровоза и многие другие). К последнему типу относится и такая наиболее сложная система, как человек - летательный аппарат. Однако в этом случае имеются весьма значительные особенности: во-первых, эта работа связана в еще большей степени, чем на других транспортных средствах, с повышенной опасностью, так как управление летательным аппаратом значительно усложнено (передвижение происходит не в двумерном, а в трехмерном пространстве); во-вторых, работа усложняется за счет необходимости управлять работой многочисленных бортовых систем и контролировать ее.

Инженерная психология космического полета

Работа космонавта во время дежурства по своему характеру больше всего напоминает работу летчика, с той, однако, разницей, что элемент управления полетом здесь играет меньшее значение, а элемент контроля за работой бортовых систем приобретает особую важность. Операторская работа по управлению различными системами космического корабля, в том числе и исследовательским комплексом, является основным содержанием профессиональной деятельности космонавта.

Эта работа по существу сводится к внимательному контролю за показаниями (индикацией) приборов, указывающих температуру, давление, содержание тех или иных веществ и т. д. Только изредка космонавт в длительном полете должен проводить коррекцию в работе той или иной системы, периодически плановый осмотр и необходимые ремонтные работы. Естественно, что для предупреждения аварийной ситуации - явления редкого и по существу исключительного в полете - требуются весьма действенные профилактические меры, и не от случая к случаю, но непрерывно, ежедневно и ежечасно в течение всего полета. Последнее обстоятельство накладывает отпечаток на всю деятельность космонавтов, требуя от них известной настороженности, или, иными словами, оперативной бдительности, что вызывает у них в той или иной степени явления эмоционального напряжения.

Предполагается, что в длительном полете будут использованы сложные системы контроля за различными механизмами управления кораблем и их регуляции при его сближении и стыковке с другими космическими объектами, энергетическими агрегатами, навигационными, исследовательскими и прочими приборами, средствами связи, системами жизнеобеспечения и др. Следовательно, требуется специальная исследовательская работа как по подгонке технических средств под возможности и способности оператора, так и по подбору оператора для осуществления эффективного управления конкретными техническими системами.

Изучение взаимодействия человека и машины в замкнутой системе управления космического корабля происходит в рамках инженерной психологии экспериментальным путем. В этих экспериментальных исследованиях все в большем объеме используются методы кибернетики - науки об управлении в самом широком смысле этого слова. Кибернетика изучает машины, живые организмы, их различные комплексы с точки зрения их способности воспринимать необходимую информацию, сохранять ее в памяти, передавать по каналам связи, перерабатывать в различные сигналы и с их помощью производить те или иные операции по управлению различными процессами, в том числе и по самоуправлению. Кибернетика вскрыла общность принципов управления в современных автоматах с самоорганизующимися процессами в живых организмах, заключающуюся, в частности, в использовании в тех и других механизмах принципов обратной связи. Эффективность любого действия может быть достигнута лишь при условии, что результат этого действия становится известным управляющему объекту, т. е. в системе человек - машина человеку. Это и есть обратная связь, т. е. связь в направлении машина - человек (или управляемый объект - управляющий объект), в отличие от одноканальной прямой связи в направлении человек - машина (управляющий объект - управляемый объект).

Применение кибернетики в инженерной психологии позволяет выбрать наилучший путь моделирования того или иного процесса управления в эксперименте для установления необходимых закономерностей.

Инженерная психология использует также теорию информации, ибо в процессе управления происходит передача различных сигналов информации по каналам связи и переработка этой информации как машинными элементами системы управления, так и человеческим мозгом. Для человека существенным фактором является ценность информации, т. е. ему нужна не всякая информация, а лишь такая, которая помогает в достижении поставленной цели. Этот принцип имеет важное значение в работе оператора: чтобы избавиться от ненужной перегрузки информацией, оператор отбирает и запоминает лишь необходимую (принцип избирательности памяти, или экономии мышления).

Для космонавтики важно использовать следующие задачи инженерной психологии космического полета: изучение психофизиологических возможностей оператора при работе в оптимальных (наилучших) условиях и при наличии определенных затруднений (помех), которое необходимо проводить также и в интересах отбора; приведение характеристик систем управления космическим кораблем в соответствие с психофизиологическими возможностями оператора; разработка методов тренировки и подготовки космонавтов в целях эффективного управления кораблем. При этом проводится анализ функций оператора и машины, распределения обязанностей между ними, эффективности и надежности действий каждого звена системы и т. д. Учитывается, что и человек и машина имеют положительные и отрицательные качества. Так, оператор лучше, чем машина, может оценить самые слабые сигналы (например, световые и звуковые), определить ценность информации, наметить новые, нестандартные приемы управления, хранить большое количество информации в течение длительного времени до момента, когда эта информация может пригодиться.

Космонавт 'летает' на Земле. Полет имитирует кибернетический пилотажно-навигационный тренажер

В то же время машина превосходит оператора по скорости расчетов (анализа) и быстроте ответных реакций; способности выполнять одновременно несколько операций; практическому отсутствию утомляемости; возможности длительного выполнения стереотипных действий.

При правильном учете качеств человека и машины повышается надежность систем управления космического корабля. Включение оператора в автоматические системы управления приводит к снижению веса и габаритов технических систем.

Космонавт во время дежурства у пульта управления выполняет сложные функции по наблюдению за приборами (получает информацию от индикаторов), оценивает их показания, обобщает все данные и в соответствии с планом действия (задачами) вырабатывает решения и реализует эти решения через органы управления кораблем. Исследуя такую работу оператора на наземных тренажерах, можно статистически достоверно (если проводится достаточное количество экспериментов) установить схему поведения оператора при слежении за приборами и при управлении процессами. С помощью математических формул, взятых из кибернетики и теории информации, можно определить качество работы оператора, его пропускную способность и надежность всей системы.

Упрощенная схема ручного управления ориентацией корабля

Схема управляемого объекта с обратной связью (блок-схема ручной ориентации космического корабля 'Восток')

Можно установить также индивидуальную характеристику поведения оператора, его ошибочные действия, выявить, насколько действия закономерны и насколько случайны (даже при правильном итоговом решении). В случае двигательных реакций, например при имитации коррекции ориентации корабля относительно Земли или какого-либо другого небесного тела, удается установить время запаздывания этой реакции у оператора, длительность выполнения всего маневра и т. д. Очень важно при этом зарегистрировать расход энергии оператора на управление как в единицу времени, так и на каждую операцию. По этому показателю, а также по показателям, указывающим на степень эмоционального напряжения (по увеличению частоты пульса и дыхания, изменению электрофизиологических и биохимических показателей), можно определить, какая из операций требует особого внимания, что дается с трудом оператору, где следует подумать о полной автоматизации процесса. Например, было установлено, что длительное удержание рукоятки в определенном положении требует чрезмерного внимания оператора и он отвлекается от показаний других приборов. Лучше такое статическое напряжение оператора заменить иным способом регулирования, например можно ввести кнопочное или клавишное управление, расчленить процесс управления, облегчив тем самым работу оператора.

Тренажер-центрифуга с шестью степенями свободы (американской фирмы Локхид)

В сущности оценка деятельности оператора сводится к определению объема, скорости и точности восприятия и переработки информации и скорости и точности его ответных реакций. Осуществляется вся эта работа с помощью психофизиологических механизмов, представляющих единую систему из трех основных звеньев: 1-е звено воспринимает информацию с помощью анализаторов (органов чувств) - зрительного, слухового, тактильного и др.; 2-е звено анализирует необходимую информацию и принимает решение, что осуществляется центральной нервной системой; 3-е звено по команде центральной нервной системы производит двигательные операции с помощью главным образом мышц рук и ног. В таком виде можно представить выполнение только первоначального действия по управлению. Здесь человеческое звено общей системы человек - машина представлено в виде цепочки психофизиологических механизмов, как бы вытянутых по прямой. На самом деле эти механизмы работают по замкнутому циклу, так как к перечисленным звеньям следует добавить обратную информацию от управляемого объекта в мозг человека. Таким способом управление превращается в единый длительно действующий замкнутый цикл.

Действия оператора в системе управления можно описать в терминах и символах кибернетики в качестве динамического звена системы и оценить его передаточную функцию математически. Одной из главных предпосылок к этому является возможность оценить некоторые электрофизиологические показатели работы нервной системы с количественной стороны. Конечно, все функции человека-оператора нельзя уложить в технические схемы, разработанные кибернетикой и теорией информации, но некоторые данные помогают оценить психофизиологические возможности человека в системе управления. При этом, в отличие от технических систем, делают поправку на общее психофизиологическое состояние человека (его здоровье, степень утомления и т. д.), индивидуальные качества, тренированность и опыт.

Для восприятия сигналов без искажений и в кратчайшее время требуется, чтобы эти сигналы были достаточно четкими и сильными; например необходимы достаточная освещенность и размеры шкал и стрелок индикаторов, достаточная громкость звукового сигнала.

Инженерная психология для определения пропускной способности оператора обращается к характеристикам отдельных анализаторных систем человека. Любой анализатор состоит из рецептора, проводящих нервных путей и центра в коре больших полушарий головного мозга.

Одним из главных анализаторов человека является зрение. Рецептором в зрительном анализаторе является глаз, раздражителем для него служит свет, т. е. электромагнитные волны определенной длины. Оператор получает примерно 85% информации через зрительный анализатор. С его помощью оценивается движение, форма, цвет, освещенность объекта. Для инженерной психологии представляют большой интерес физиологические данные о работе глаза. Изучаются такие показатели, как объем зрения, его качество, утомляемость и т. д. Устанавливаются границы центрального зрения и периферического, минимальная освещенность для опознавания объекта, адаптационные свойства зрения (привыкание к темноте или яркому свету), дальность видения, различение контрастности, глубинное зрение и т. д.

Для эффективности работы зрительного анализатора привлекаются также данные из области физиологии и гигиены труда. Известно, например, что естественный свет менее утомляет зрение, чем искусственный, особенно цветной. При чтении, например, глаза устают меньше при желтом свете, чем при красном.

Цвет, как известно, обладает свойством воздействовать на психическую сферу человека. Теплые тона (красный, оранжевый, желтый) несколько возбуждают нервную систему, холодные (голубой, зеленый, фиолетовый) - успокаивают.

Вторым по важности источником информации является слух. В авиации и космонавтике нагрузка слухового анализатора довольно значительна. Ведение радиосвязи является, например, обязательным условием работы летчика. Для лучшей работы оператора требуется знать характеристику слуховых восприятий и характеристику звуковых генераторов (источников звука). Важно учитывать громкость звука, высоту, тональность, примесь к нему шумов и т. д. Звук характеризуется правильным повторением звуковых волн, шум же состоит из колебаний различной частоты. Шум мешает четкому восприятию необходимой звуковой информации и влияет на общее состояние оператора, вызывая у него утомление и раздражительность.

На вращающемся кресле 'железная маска'

В настоящее время стоит задача использовать в космических полетах также и другие анализаторы, в частности тактильную и мышечную (проприоцептивную) чувствительность. Это расширяет возможности контроля в системе управления и разгружает зрительный и слуховой анализаторы.

К двигательному анализатору предъявляются в космическом полете и специфические требования из-за состояния невесомости. Двигательные реакции космонавта затрудняются из-за нарушения тонкой координации. Изменяется характер движения из-за отсутствия твердой опоры и уменьшения трения. Например, очень трудно в полете производить движение рычагами к себе и от себя. Требуется максимальное напряжение, чтобы сдвинуть рычаг и при этом сохранить первоначальную позу.

Интересные в этом отношении наблюдения были получены при первом в мире групповом переходе летчиков-космонавтов Е. В. Хрунова и А. С. Елисеева из корабля в корабль. В состоянии невесомости космонавты затрачивали много усилий для того, чтобы находить точку опоры для закрепления своего тела. Это было нелегко делать, так как они при этом еще производили определенные трудовые операции. В условиях невесомости пройти по поверхности корабля в обычном понимании этого слова не так-то просто. Отсутствует опора под ногами, нет силы, прижимающей человека к поверхности. Поэтому в условиях невесомости оказалось удобнее передвигаться на руках, держась за металлические поручни.

При перегрузках (во время взлета и посадки корабля) увеличивается нагрузка на мышечный аппарат. При перегрузках более 6 ед. подвижность в больших суставах ног и рук невозможна, при 8 ед. снижается подвижность кистей и пальцев, а при 15 ед. и эти движения почти невозможны. Отсюда делается вывод о необходимости автоматизировать все операции при значительных перегрузках.

Все эти задачи с той или иной степенью приближения к реальным условиям можно отработать на специальных наземных космических тренажерах и в макетах космических кораблей. На тренажерах можно имитировать различные условия и факторы полета, например ускорения, и выработать необходимые навыки по управлению. Эта наземная подготовка экипажей дополняется полетами на самолетах, парашютной подготовкой, системой физической подготовки и подготовкой на специальных стендах, например в роторе, вращающемся в трех плоскостях.

В зависимости от задач тренажеры могут быть функциональными, специализированными, комплексными или универсальными.

Универсальный тренажер имеет целый ряд устройств для отработки профессиональных навыков космонавтов - подвижный или неподвижный макет кабины космического корабля, вычислительное устройство, имитатор звездного неба и земной поверхности, различные регистрирующие приборы, двигательные механизмы и т. д. В кабине тренажера можно создать нужные условия работы - освещение, температуру и газовый состав воздуха, вибрации, шумы и т. д.

На комплексном тренажере можно отработать рабочее взаимодействие всех членов экипажа, "проиграть" все этапы полета на конкретном космическом корабле. На специализированных тренажерах космонавты могут отработать различные приемы для выполнения определенных задач полета - ориентирования корабля, управления кораблем при переходе на другую орбиту, стыковки с космической станцией и т. д. На функциональных тренажерах отрабатывают навыки по овладению конкретным видом деятельности - радиосвязью, ручным управлением, управлением системой ориентировки в космическом пространстве и т. д. Роль функциональных и специализированных тренажеров выполняют также различные стенды (центрифуги, барокамеры и др.) и самолеты-лаборатории.

Большая специальная тренировка предшествовала выполнению заданий по выходу в космос космонавтов А. А. Леонова, а затем Е. В. Хрунова и А. С. Елисеева. Чтобы выполнить большой объем работ вне корабля в скафандре, находящемся под давлением, нужно было еще на Земле выработать необходимые навыки. С этой целью космонавты "поднимались" в барокамере до максимально возможного разрежения воздуха, тренировались на самолете-лаборатории, где создавались условия кратковременной невесомости. Для отработки группового перехода космонавтов из корабля в корабль на самолете-лаборатории был установлен макет орбитального отсека - точная копия орбитального отсека корабля типа "Союз" - и макеты состыкованных кораблей "Союз-4" и "Союз-5". Во время полетов на таком самолете космонавты тренировались в надевании скафандров, работали с аппаратурой системы шлюзования, с научной аппаратурой. В скафандре под избыточным давлением был отработан выход из космического корабля и вход в него, а тренировки закрепили полученные навыки.

Полеты на летающей лаборатории ценны еще и тем, что рядом с космонавтами всегда находятся инструкторы, замечающие любую ошибку и вовремя дающие советы и указания. Поэтому процесс обучения и выработки устойчивых навыков проходил весьма продуктивно. Космонавты успешно выполняли все действия в точном соответствии с программой предстоящего космического полета.

Сложность программы полетов на кораблях "Союз" требовала тщательной проверки и отработки в наземных условиях систем, обеспечивающих комфортные условия жизни и высокую работоспособность космонавтов. Большим этапом в этой сложной работе были комплексные исследования и испытания, которые проводились в макете космического корабля, оборудованном реальными системами жизнеобеспечения. Это позволило точно оценить работу всех систем.

Макет корабля был связан с аналого-вычислительным комплексом, который совместно с динамическими стендами и органами управления обеспечивал моделирование управления движением космического корабля. На этом комплексном стенде исследовались психофизиологические возможности оператора, имитировались эмоциональные и физические нагрузки на испытателей. Исследования с помощью психофизиологических тестов и периодический контроль основных физиологических показателей дали возможность объективно оценить работоспособность человека в этих условиях, а также дать рекомендации, как повысить работоспособность и устойчивость космонавтов в полете.