Критерии безопасности системы «человек – машина»

Рост промышленного производства сопровождался повсеместным внедрением разнообразных машин в процесс труда человека. В настоящее время созданы машины, полностью решающие определенные производственные задачи при минимальном вмешательстве человека. Кроме того, машинам зачастую передаются такие функции человека, как прием, хранение и переработка информации с которыми они справляются лучше человека. Данные обстоятельства привели к возникновению новых опасностей, возникающих в процессе взаимодействия людей с современным техническими системами. С целью изучения этих опасностей был введен новый вид обобщенной системы, так называемой системы «человек – машина». Система «человек – машина» (СЧМ)- объект, включающий в себя техническое оборудование и одного или несколько человек-операторов, которые в процессе взаимодействия с оборудованием и между собой решают определенную задачу, обычно связанную с потребностями общества. Под термином «машина» понимают всякое техническое устройство, с помощью которого осуществляется работа любого вида. Как бы не были сложны машины, они остаются лишь орудиями труда. Функции человека в СЧМ можно разделить на два больших класса: первый - прием и переработка информации; второй – управление машиной. На рис. 1 показана обобщенная схема построения СЧМ.

Важную роль в СЧМ играют потоки информации. Человек при этом может выступать в роли простого приемника информации, ретранслятора информации от одной подсистемы к другой, может осуществлять анализ и переработку информации. Важнейшим моментом деятельности человека является принятие решения о необходимых управляющих воздействиях. Человек может оказывать следующие управляющие воздействия: выполнение команды (переданной, например, голосом, с помощью средств связи, с помощью индикаторов); перепрограммирование работы всей системы или ее частей; остановка работы системы или ее частей. Управляющее воздействие человека - оператора приводит машину в новое состояние. Человек воспринимает это состояние по параметрам средств отображения информации, анализирует данные и принимает решение, или выполняет команду по новому управляющему воздействию, и т. д.

Рис. 1 Обобщенная схема построения СЧМ

По степени непрерывности участия человека в процессе управления выделяют системы трех типов - непрерывные, дискретные и смешанные. Возможные временные диаграммы работы систем каждого типа приведены на рис.2.

В системах первого типа процесс управления протекает непрерывно. При нормальном течении процесса оператор только наблюдает за ходом протекания процесса и не вмешивается в него. В случае отклонения хода процесса от нормы оператор вмешивается в него и должен в течение определенного времени восстановить нор­мальное протекание процесса. Такие системы отвечают высокоавтоматизированным производственным процессам (химическая, металлургическая, горнодобывающая промышленность и др.).

Во втором случае процесс управления носит также непрерыв­ный характер, однако деятельность оператора заключается в периодическом решении ряда дискретных задач, непрерывно следующих одна за другой. В промежутках у оператора наблюдается оперативная пауза. К таким системам относятся различного рода системы передачи данных, системы

Для систем третьего типа характерна ярко выраженная дискретность решения отдельных задач. В перерывах система находится в режиме ожидания. Примером могут служить транспортные системы. В отличие от предыдущего случая в данном типе систем работа оператора совпадает с работой технических средств.

Даже в дискретных системах процесс взаимодействия человека с машиной является непрерывным и происходит в реальном масштабе времени. Последнее требует практически мгновенного принятия решения, что делает работу человека – оператора очень сложной и напряженной. Поэтому желательна замена человека машиной в тех случаях, когда это возможно, то есть широкое внедрение автоматических систем.

По принципу включения человека в процесс управления все СЧМ могут быть разделены на два типа: автоматизированные и неавтоматизированные (с ручным управлением). Ручное управление системой осуществляется человеком на основе информации, получаемой им преимущественно при восприятии объекта управления непосредственно с помощью органов чувств. Решение принимается человеком на базе знаний и опыта деятельности в соответствующих ситуациях. Управляющее воздействие производится непосредственным воздействием рук (пальцев, ног) на органы управления объектом (рукоятки, кнопки, педали и т.д.). Примеров таких систем множество: работа на токарном станке, управление автомобилем, работа на подъемном кране.

Практически противоположна ей система автоматизированного управления. В ней может быть предусмотрен специальный блок управления, в котором на основе информации, поступающей от датчиков, на базе заранее заложенной модели поведения объекта вырабатывается управляющее решение и на исполнительные органы передаются управляющие воздействия.

В этих системах часть функций управления выполняется техническими средствами системы – аппаратно – программным комплексом системы управления, а остальная часть функций управления – человеком оператором. Роль человека может варьироваться в зависимости от степени автоматизации.

В наиболее простых системах автоматизированы функции сбора информации об объекте и передачи ее человеку – оператору. Данные об объекте, его текущем состоянии предъявляются человеку в виде информационной модели на соответствующих средствах отображения информации. На основе знаний и профессионального опыта оператора им вырабатывается управляющее воздействие, передаваемое им через пульт управления на исполнительные органы. Наиболее характерные примеры подобных систем: системы управления технологическими процессами, тепловыми и энергетическими агрегатами на электростанциях, диспетчирование на железнодорожном транспорте и др. Роль человека в этих системах заключается в оперативном управлении объектом, причем процесс выработки управленческого решения – прерогатива человека. Фактически такая система близка к неавтоматической (ручной) системе управления. Отличие, и существенное, заключается в наличии между объектом и анализаторами человека специальной системы отображения информации, которая обеспечивает с той или иной степенью адекватности передачу человеку-оператору сведений о реальных процессах, протекающих в объекте управления. Необходимость в такой системе передачи и отображения информации возникает по многим причинам, в частности: удаленность объекта, невозможность восприятия человеком – оператором тех или иных характеристик объекта, нежелательность присутствия человека вблизи объекта, и т. п.

Второй по степени автоматизации является система, в которой человек, оценивая состояние объекта по информационной модели, представленной на средствах отображения информации, вводит исходные данные, необходимые для автоматической выработки управляющих воздействий с использованием заранее заложенной в систему управления математической модели объекта. Роль человека в такой системе также сводится к оперативному вмешательству в процесс функционирования системы, но функции его существенно более регламентированы по сравнению с описанной выше системой. Часто его функции сводятся к оценке рассогласования реальной траектории изменения параметров (их числовых значений) объекта с желаемой траекторией, при которой достигается наибольшая эффективность управления. В отдельных случаях функции человека – оператора в подобных системах сводятся к функции регулирования. Этот вид деятельности оператора заключается в поддержании контролируемых им параметров объекта в заданных пределах.

Следующую степень автоматизации представляют так называемые системы –«советчики». В этой системе на средствах отображения человеку предъявляется не только информационная модель ситуации, возникшей на объекте, но и выбранное блоком управления одно (из ряда альтернативных вариантов) решение, представляемое на средствах отображения информации в виде информационной модели решения. Человек, ведущий управление, сравнивая вариант, предлагаемый системой управления, с тем, который он определил на основе своих знаний и опыта, может либо согласиться с решением системы («утвердить» его и тем самым разрешить системе его реализацию), либо ввести в систему свое решение (система в этом случае обязана подчиниться человеку и вести дальнейшее управление по его данным). Роль человека в этом случае сводится не только к оперативному, но и тактическому управлению. Пример – система управления воздушным движением в районе аэропорта, где одновременно в воздухе находится достаточно много самолетов. Одна из задач диспетчирования при этом – определение порядка вывода самолетов на взлетно–посадочную полосу для посадки. Аппаратно-программный комплекс системы автоматизированного управления воздушным движением может выработать управляющее решение (определить очередность посадки). Это решение должно быть предъявлено диспетчеру аэропорта, и только после его оценки оно может быть принято к исполнению. Человек в таких системах не только оценивает или «утверждает» решение, но и вырабатывает свое, новое, обычно отличное от машинного, решение. Это вызвано тем, что модели функционирования объекта, заложенные в аппаратно-программном комплексе системы управления воздушным движением не полностью адекватны поведению объекта. Многие факторы не включены в эти модели либо по причинам трудности учета, либо по причинам их редкого возникновения. Поэтому в системах подобного типа в большей степени следует говорить не об оперативном управлении, а о тактическом управлении.

И наконец, четвертый уровень автоматизации представляют системы, содержащие набор математических моделей. В этой системе человек на основе информационных моделей объекта и ситуации, сложившейся на объекте, вырабатывает (выбирает из ряда возможных) модель поведения объекта, модель разрешения критической ситуации и закладывает ее (передает, вводит) в аппаратно-программный комплекс блока управления. На основе заданных моделей блок управления вырабатывает альтернативные решения и отображает их в виде информационных моделей возможных будущих ситуаций. Оценивая альтернативные варианты и принятую для их построения модель человек либо «утверждает» одно из альтернативных решений, как основу для выработки управляющих воздействий, либо продолжает поиск оптимального решения посредством перебора или изменения моделей. Роль человека в такой системе заключается не только в оперативном или тактическом управлении, но главным образом в выработке стратегии поведения системы управления в целом, так как изменяя модель поведения объекта, он тем самым изменяет степень адекватности модели объекту управления. Примером таких систем управления являются системы организационно – административного управления, т.е. системы, автоматизирующие процесс управления, который осуществляют руководители высокого уровня управления.