Первые работы, которые сегодня принято относить к достижениям в области СЧМ, берут начало от Века машин [94], охватывающего период с 1750 по 1870 гг. Век машин засвидетельствовал такие изобретения, как центробежный регулятор Уатта (1784 г.), предназначенный для поддержания постоянного числа оборотов вала паровой машины, и перфокарты Жаккарда (1801 г.) для программирования и управления работой ткацких станков в текстильной промышленности. Эти и другие аналогичные изобретения определили профессию инженера, создающего машины в интересах нужд и удобства человека.
Первый этап. Настоящие серьезные работы по оптимизации СЧМ, выделившиеся в самостоятельное научно-техническое направление, принято датировать началом XX в. Первый этап становления СЧМ занимает период с 1870 по 1945 гг. и характеризуется широким применением машин с силовым оборудованием на транспорте и в промышленности. Именно тогда возникла профессия «оператор» в том понимании, в котором она трактуется сегодня. Специфика операторской деятельности того времени состояла в непрерывной монотонной работе, требовавшей зачастую значительных физических усилий. К такой деятельности относилась, в основном, работа на конвейере и выполнение функций следящего, компенсирующего и регулирующего характера. Использование человека в этой роли подвергалось особой критике. Норберт Винер писал: «Это унизительно для человека соединять его с рукояткой и использовать его как источник энергии; но также унизительно поручать ему на заводе монотонно повторяющиеся операции, выполнение которых требует от него менее чем миллионной доли его мозговых ресурсов».
В первую очередь для облегчения работы оператора стали разрабатываться и вводиться в контур управления техническими системами различные исполнительные механизмы, компенсирующие физические усилия человека. Использование пневмоприводов, гидравлики, дистанционных манипуляторов позволило вывести человека из опасных зон труда и обеспечить относительно комфортные физиологические условия работы. Однако это не освободило его от постоянного напряжения, вызванного рутинными операциями. Автоматизации монотонного труда способствовало появление в 1868 г. математической теории регулятора, сформулированной Джеймсом Максвеллом. Позже на основе этой работы была разработана теория управления, послужившая базой для создания многочисленных систем автоматического управления и регулирования, успешно заменяющих человека, выступающего в роли следящего звена.
Одним из первых таких устройств был авторулевой (1921 г.), обеспечивающий автоматическое управление движением морского судна - маневрированием и удержанием его на курсе. Измеряя с помощью гироскопа отклонение судна от заданного курса, авторулевой генерирует управляющий электрический сигнал, который подается на рулевую машину, обеспечивающую перекладку руля на заданный угол. Использование авторулевого в качестве следящей системы позволило не только освободить экипаж от утомительной вахты на руле, но и повысить точность стабилизации курса.
Автомат аналогичного типа и назначения - автопилот - стал применяться и в авиации для автоматического управления полетом летательных аппаратов. Принцип работы автопилота идентичен авторулевому и основан на обратной связи, т.е. измерении рассогласования между заданными и фактическими значениями контролируемых параметров движения. Однако сложность автопилота была значительно выше, так как в качестве регулируемого параметра выступало не только горизонтальное направление полета, но и высота, а также угловые характеристики - угол тангажа, рыскания и вращения. Учитывая, что летательный аппарат имеет три степени свободы по отношению к угловым движениям, автопилот должен иметь не менее трех каналов управления.
Впоследствии автоматические устройства приобрели особую важность для управления быстротекущими процессами, когда оператор просто физически не успевал отреагировать на происходящие события. Развитие автоматики, начавшееся в начале века и переросшее сегодня в создание роботов и гибких производственных систем, позволило практически полностью снять проблему тяжелой и утомительной физической и слабоинтеллектуальной нагрузки на оператора.
Второй этап. Годы второй мировой войны и последовавший за ними период открыли новую фазу промышленной революции - фазу машин для умственного труда. Начало второго этапа развития СЧМ сопровождалось многочисленными исследовательскими проектами как в военной, так и в гражданской сферах, связанными с практическим использованием процесса деления ядра и запусков ракет. Результатом этих работ стало создание надводных и подводных кораблей с ядерными силовыми установками (ледокол «Ленин» (1959 г.), советская - «Ленинский комсомол» (1958 г.) и американская (1949 г.) подводные лодки), пуск первой атомной электростанции (АЭС) (1954 г.) и строительство атомных энергоблоков первого поколения, запуск искусственных спутников (1957 г.). Технологии, использованные в этих объектах, были принципиально новыми и во многом опередившими свое время. Они таили в себе множество опасных неизведанных и слабо изученных вещей и явлений, что, безусловно, повлияло на изменение психологии работы с ними. Несмотря на то, что многие задачи управления (такие, как слежение и регулирование) уже поддерживались машинами, операторская деятельность столкнулась с новыми проблемами и трудностями. В первую очередь — это увеличившаяся сложность и скорость принятия решений в условиях неопределенности и отсутствия адекватной модели управления. Вторым фактором стал возросший объем оперативной информации, которую человеку необходимо было постоянно учитывать в своей работе. И, наконец, резко повысилась ответственность оператора за свои действия. Все это свидетельствовало о возросшей интеллектуальной и психологической нагрузке на оператора и заставило коренным образом пересмотреть требования к квалификации операторов, их подготовленности к действиям в нестандартных ситуациях и организации рабочих мест.
Всплеск прикладных работ по эргономическому проектированию (точнее, по проектированию эргономического обеспечения) производственной среды стал символом того времени. Активизировались начавшиеся задолго до этого исследования влияния на работу оператора различных факторов, таких как шум, вибрация (первые исследования вибрации и связанных с ней профессиональных болезней датируются 1913 г.), освещение (первые рекомендации по освещению были разработаны еще в 20-30-х гг.), микроклимат (первые стандарты комфортных условий и связанных с ними температуры, влажности и качества воздуха появились в 1923 г.), дизайн интерьера и рабочего места. Все перечисленные работы берут начало в 20-х гг. Так, в России для этих целей в 1919 г. В.М. Бехтеревым были организованы лаборатории рефлексологии и психологии труда, а в 1920 г. созданы институт труда, лаборатория промышленной психотехники, институт техники управления.
Особенность послевоенных 40-60-х гг. состоит в том, что к проблеме эргономического проектирования стали подходить с комплексных системных позиций. Первые достижения комплексного подхода проявились в создании сложных пультов и щитов управления, отвечающих самым высоким требованиям того времени. Разработке таких пультов предшествовала скрупулезная работа по структурированию оперативной технологической информации, созданию новых эргономичных средств и систем отображения, обширный психологический анализ процессов восприятия информации человеком и грамотная компоновка ОУ.
Системный подход к проектированию эргономического обеспечения, объединивший инженерный и психофизиологический взгляды на проблему операторской деятельности, позволил создать единую теоретическую базу новой научной дисциплины - инженерной психологии. Отечественные исследования в этой области начаты в 1959 г. Б.Ф. Ломовым, организовавшим кафедру инженерной психологии в Ленинградском университете (сегодня фундаментальная подготовка специалистов по инженерной психологии и эргономике ведется в обоих российских университетах - Московском и Санкт-Петербургском). Важным этапом стало также создание группы инженерной психологии в НИИ комплексной автоматизации. В начале 60-х гг. этой группой под руководством В.Ф. Венды был выполнен первый крупный инженернопсихологический проект рабочих мест операторов ТЭЦ-21 Мосэнерго. В 1962 г. был организован НИИ технической эстетики, объединивший многочисленные работы в области эргономики и дизайна машин. В военных отраслях значительные системные инженерно-психологические и эргономические исследования проводились А.И. Губинским (военно-морская эргономика) и П.Я. Шлаеном (эргономика в оборонной промышленности).
Перечисленные работы были направлены на решение одной общей задачи - адаптации машин к характеристикам человека. Однако еще одной отличительной чертой того времени стало стремление решить обратную задачу - адаптацию людей к их работе. Так появились исследования в области отбора, обучения, тренировки операторов, разработки рабочих графиков и т.п.
Обучение и подготовка оперативного персонала приобрели важнейшее значение в то время. Особое внимание уделялось постоянной тренировке операторов на тренажерах, имитирующих реальные условия работы. Первый тренажер, созданный в США после первой мировой войны, был предназначен для обучения летчиков умению управлять самолетом в условиях облачности. Использовавшаяся в нем система управления была идентична применявшейся для управления самолетом по тангажу, рысканию и вращению. Устройство было размещено в корпусе, имитирующем кабину самолета и установленном на гиростабилизи- рованной платформе. Однако применение имитаторов для целей обучения четко обозначилось как самостоятельное направление лишь в 30-е гг. После второй мировой войны тренажерная техника претерпела бурные изменения и нашла широкое применение в таких областях, как вождение транспортных средств, пилотирование самолетов и космических кораблей, вождение морских судов, управление промышленными установками и электростанциями.
Помимо обучения особую важность приобрел профессиональный отбор операторов. Интерес к этой задаче повлек за собой бурное развитие в 50-60-х гг. прикладной психологии и тестологии, а также более осмысленное изучение механизмов человеческого поведения. Введение профессионального отбора и психологического тренинга позволило укрепить устойчивость операторов к стрессам и повысить готовность к действиям в непредвиденных обстоятельствах.
Второй этап развития СЧМ вобрал в себя обширные исследования, коренным образом изменившие представления о задаче организации человеко-машинного взаимодействия. Однако проблема состояла в том, что оптимизация операторской деятельности средствами эргономического проектирования предполагает участие специалистов по человеческому фактору уже на начальных стадиях создания СЧМ. Но чаще всего об операторе вспоминали лишь тогда, когда система была уже спроектирована.. Включаясь в процесс разработки на столь позднем этапе, эргономисты могли вносить лишь незначительные изменения в форму и компоновку СОИ и ОУ. К сожалению, такое положение дел остается и по сей день, хотя появление компьютеров сильно изменило всю концепцию ЧМИ.
Третий этап. Первая ЭВМ ENIAC на вакуумных лампах была создана в США в 1946 г., а в 1948 г. началось серийное производство компьютеров (первая отечественная ЭВМ МЭСМ была разработана в украинском институте электротехники в 1950 г.). Появлению вычислительных машин способствовало развитие ядерно-физических и баллистических исследований, требовавших проведения многочисленных сложных расчетов в условиях ограниченного времени. Основным достоинством первых ЭВМ было умение быстро считать (более 100 операций в секунду - немыслимая для того времени скорость!). Однако неразвитость алгоритмического инструментария (программирование машин первого поколения выполнялось сначала с помощью «перетыкания» проводов и перемычек, а затем - в двоичных кодах), неспособность вести диалог с человеком и, главное, отсутствие эффективных элементов памяти, позволяющих длительное время хранить и обрабатывать большие объемы информации еще долгое время ограничивали сферу применения компьютеров.
Первые ЭВМ устранили лишь одно из возникших тогда противоречий — несоответствие между требованиями к скорости счета и психофизиологическими возможностями человека. Однако оставалось еще одно - резко возросший объем информации, несоизмеримый с ресурсами человеческой памяти. Тенденция к сильному возрастанию информационной нагрузки на оператора объяснялась скачкообразным укрупнением систем в 60-70-е гг. Вводились в эксплуатацию гигантские промышленные комплексы; крупные аэропорты (аэропорт Хитроу в Лондоне (1958 г.) и международный аэропорт в Чикаго) со сложнейшими системами навигационного обеспечения и диспетчерскими службами; огромные морские порты (гавань Нью-Йорка имеет 720 км якорных стоянок и 240 км искусственных причалов); внушительных размеров корабли (авианосец «Энтерпрайз (1961 г.), имеющий длину 341 м и несущий 100 самолетов и 8 силовых ядерных установок) и самолеты (Боинг-747 (1969 г.), вмещающий более 500 пассажиров); атомные энергоблоки мощностью 1000 МВт и более; объединенные энергосистемы; химические, газо- и нефтеперерабатывающие комплексы. Управление такими системами требовало одновременного учета нескольких тысяч (а иногда и десятков тысяч) элементов информации (не только оперативной, но и технологической, регламентной и директивной). Особенность комплексных технологических систем состояла еще и в том, что они объединяли в единый цикл несколько разнородных производственных процессов, каждый из которых имел свою индивидуальную специфику. Для управления такими комплексами операторы - узкие специалисты по отдельным подсистемам - объединялись в группы — оперативные смены. В связи с этим возникла новая серьезная проблема - обеспечение коммуникации, единого информационного пространства и эффективной координации действий нескольких операторов, занятых совместным решением одной общей задачи. Традиционные средства эргономики не позволяли справиться с возникшими проблемами, требующими новых подходов.
Вычислительная техника в те годы переживала бурный расцвет. Появились емкие долговременные магнитные носители памяти (ленты, диски), развитая периферия, предназначенная, в частности, и для общения с человеком (печатающие устройства, дисплеи, клавиатуры), средства телекоммуникации (мультиплексоры, модемы) и развитое программное обеспечение (первые мощные операционные системы, языки программирования высокого уровня). Это позволило в конце 60-х гг. по-новому взглянуть на ЭВМ: как на инструмент для решения задач сбора, хранения и обработки больших объемов информации в самых различных областях деятельности (экономика, финансы, производство, управление и др.). Данная идея воплотилась в многочисленных автоматизированных системах управления: АСУП, АСУ ТП, САПР, автоматизированных обучающих системах (АОС), автоматизированных информационно-поисковых системах (АИПС), автоматизированных рабочих местах (АРМ) и др. Применение новых информационных технологий для организации ЧМИ вывело СЧМ на новый - третий этап своего развития.
Оснащение рабочего места оператора компьютеризованной информационной системой дало возможность гибче структурировать и отображать информацию, производить ее первичную обработку и сжимать в информационно более емкие единицы, синтезировать практически любые визуальные формы, отслеживать поведение системы во времени (традиционные средства отображения с лампами и шкалами не были ориентированы на запоминание и анализ истории развития событий). Кроме того, компьютеры могли внедряться в уже существующий ЧМИ, усовершенствуя его и являя собой альтернативу воплощенным, не всегда удачным идеям.
Четвертый этап. Однако описываемые средства не решили, а лишь незначительно уменьшили проблему высокой информационной и интеллектуальной нагрузки на оператора. Как и прежде, если в сложной СЧМ случались какие-либо серьезные нештатные события, то лавина аварийной информации захлестывала оператора, парализуя зачастую его волю и способность трезво и обдуманно действовать. Подтверждением этому стала серия тяжелых техногенных катастроф 80-х гг. (Три-Майл-Айленд (США, 1979 г.), Бхопал (Индия, 1984 г.), Чернобыль (СССР, 1986 г.)), объединенных общей причиной - ошибкой оператора, связанной с принятием неверных решений.
Чем объясняется такое положение дел? Отметим, что укрупнение технологических систем сопровождалось не только пропорциональным ростом размеров и количества оборудования, механизмов и подсистем. Наиболее серьезным последствием укрупнения стал резкий рост числа внутренних взаимосвязей между элементами системы, повлекший за собой скачкообразное увеличение количества причинно-следственных отношений, определяющих поведение системы (рис. 1.2). На практике это проявилось в том, что какое-либо незначительное и, на первый взгляд, не имеющее отношения к делу событие, могло вызвать цепочку совершенно неожиданных явлений, приводящих к непредсказуемым последствиям. Из-за огромного числа причинно-следственных связей предусмотреть заранее все возможные пути развития событий было попросту невозможно, даже с помощью ЭВМ. В итоге оператор опять сталкивался с неполной (а иногда и противоречивой) моделью управления. В этих условиях вся надежда возлагалась на его интуицию, опыт и фундаментальные знания, позволяющие ему самостоятельно разбираться с каждой конкретной ситуацией.
Активное развитие в конце 70-х гг. технологий искусственного интеллекта дало новый толчок к созданию прикладных систем, усиливающих интеллектуальный потенциал человека. В отличие от традиционных формальных подходов, методы искусственного интеллекта были ориентированы на представление эмпирических знаний, с которыми привык работать человек. Обширный инструментарий искусственного интеллекта (экспертные системы (ЭС), языки представления знаний и логическое программирование), позволил кодировать и заносить эти знания в компьютер в простой и удобной форме (в виде правил, фреймов и сетей), не прибегая при этом к услугам программистов и математиков.
Рис. 1.2. Характер зависимости количества информации I от числа элементов N системы
Все это дало возможность быстро создавать гибкие адаптивные модели предметных областей, не поддающихся точному формализованному описанию.
Возможность наряду с формальными знаниями оперировать и эвристическими описаниями позволила компьютеру имитировать деятельность человека-оператора и приблизиться к его способности ориентироваться в условиях неопределенности. На основе этих технологий были созданы системы интеллектуальной поддержки оператора, автоматизирующие процесс принятия решений. Ясно, что способности таких систем были по-прежнему чрезвычайно ограничены и они обладали лишь правом совещательного голоса. Однако даже это значительно повышало надежность оператора, особенно в тех ситуациях, когда от него требовались довольно простые и четкие действия. Внедрение интеллектуальных средств поддержки оператора символизирует четвертый этап развития СЧМ.
Другим фактором, повышающим надежность управления и безопасность функционирования сложных СЧМ, стало активное введение многочисленных защит. Они срабатывали в критических случаях, когда оператор сам не мог справиться с управлением, и выводили ТОУ в устойчивое безопасное состояние. Сегодня защитные системы образуют очень важную часть контура управления, компенсирующую определенную долю ответственности оператора.
В заключение еще раз остановимся на наиболее значимых моментах в истории развития СЧМ в XX веке:
выделяются четыре этапа развития СЧМ, каждый из которых олицетворяет определенную концепцию ЧМИ, направленную на физическую (конец XIX в. - окончание второй мировой войны), эргономическую (1940-1970 гг.), информационную (1970-1980 гг.) и интеллектуальную (1980 г. и далее) поддержку операторской деятельности;
усложнение СЧМ и трансформация структуры ЧМИ изменили характер операторского труда - значительно снизилась доля физических усилий и резко возросла интеллектуальная составляющая деятельности (рис. 1.3);
появление эргономики и инженерной психологии сформировало методологическую основу системного подхода к анализу и проектированию операторской деятельности.
Изложенная в данном параграфе информация сведена в диаграмму (рис. 1.4), наглядно демонстрирующую тенденции изменения сложности работы оператора.
На диаграмме показаны также некоторые факторы, отражающие наиболее характерные особенности управления СЧМ в разные периоды развития, и те концепции, которые в разные годы использовались для оптимизации ЧМИ. Влияние перечисленных факторов сказывалось на фактической сложности операторской деятельности - она то росла, то снижалась. На диаграмме это показано в виде соответствующих стрелок, направленных вверх (усложнение деятельности) и вниз (упрощение деятельности).
