Эргономика для ЖД транспорта. Курс лекций по «Эргономике» - PDF-2. Курс лекций по Эргономике Утверждено на заседании Учного Совета Механикотехнологического факультета протокол 8 от 8
 Скачать 1.6 Mb.
|
|
Восприятие температуры. Температурные рецепторы (расположенные в коже) позволяют на ощупь определить температуру с точностью ± 3 4 С и при латентном периоде около 250 мс. Обонятельный анализатор позволяет человеку обнаруживать появление в воздухе примесей, пахучих веществ и т. д. Рис Обонятельный рецептор Хотя обонятельный рецептор быстро адаптируется, он имеет чрезвычайно низкие пороги восприятия (I min ). Так, концентрации в мг/м З ряда веществ, обнаруживаемых человеком в воздухе, составляют: этил-меркаптан йодоформ ванилин тринитробутилтолуол 101 Практически обонятельный и вкусовой анализаторы не имеют существенного значения в трудовой деятельности человека, особенно в системах управления. Болевые рецепторы. Окончательно не решен вопрос о существовании специальных болевых рецепторов, возможно, что боль ощущается обычными рецепторами при I i >I max «Боль является верным стражем среди всех наших опасностей, боль громко и непрерывно твердит нам: будьте осторожны, берегите, сохраняйте вашу жизнь» Вольтер. Болевые ощущения резко повышают мышечный тонус, КРОВЯное давление, частоту сердечных сокращений, вызывают расширение зрачков, снижают уровень восприятия и т. д. Латентный период около 370 мс. Точность и объем восприятия информации резко падают при наличии боли. Наконец, возможность восприятия информации экстрасенсорным путем (телепатия) до настоящего времени не доказана. Итак, по «входным» каналам информация поступает в мозг человека. Каковы же общие законы восприятия информации? Прежде всего отметим, что рецепторы, воспринимающие сигналы из внешнего мира (экстерорецепторы), непосредственно контактируют со средой, другая часть рецепторов расположена внутри организма (интерорецепторы) и их сигналы не всегда достигают сферы сознания, хотя попадают в головной мозг. Рецепторы строго специализированы, т. е. каждый рецептор реагирует генерацией биопотенциалов только на определенные по своей физической (или химической) природе агенты (фоторецепторы, барорецепторы и т. д.) Любые агенты среды, способные вызвать возбуждение рецепторов, называются раздражители. Мы различаем адекватные раздражители, если 101 102 сигнал соответствует специализации рецептора (например, свет для глаза) и неадекватные (свет для слухового канала). Каждый рецептор реагирует на любой сигнал своей специфической возбудимостью, но сила раздражителя неадекватного для возбуждения несоизмеримо выше, чем адекватного. Ощущение (а, следовательно, и восприятие) зависит от свойств сигнала, рецептора и центра анализатора. Свойства сигнала. Восприятие сигнала человеком зависит от силы его, градиента и длительности воздействия. Рецепторы имеют релейную характеристику срабатывания, т. е. возбуждение возникает только в том случае, если сигнал превышает определенный порог. Как и всякий датчик, рецептор функционирует в определенном диапазоне интенсивностей сигнала. Если сигнал по силе ниже порога возбуждения рецептора он называется подпороговым, если минимальная сила сигнала вызывает возбуждение пороговый, и если сигнал вызывает болевое ощущение сверхпороговый. Рецепторы обладают свойством адаптации, т. е. реагируют не на величину сигнала, а на ее изменения, поэтому, определяющим фактором является градиент сигнала и, наконец, длительность воздействия. Отметим попутно, что силу агента (раздражителя) человек различает благодаря тому, что рецепторы имеют много нейронов с различными порогами срабатывания, хотя каждый из них работает по закону «Все или ничего». Для организации оптимального ввода информации человеку и обоснования инженерно-технических требований к СОИ необходимо учитывать как характеристики сигналов, так и «получателя». В процессе эволюции «получатель» человек приспособился к восприятию определенного диапазона сигналов (по силе, качеству и т. д.). 102 103 Каковы же возможности человека по восприятию сигналов? Из каких положений следует исходить при подборе оптимальных информационных потоков? Известно, что любое звено в управлении, как канал связи, характеризуется 3 свойствами: 1. полосой пропускания, или диапазоном величин сигналов, которые могут быть приняты и переданы; 2. разрешающей (различительной) способностью, показывающей дискретность отношении приема близких по характеристике сигналов (какова единица алфавита сигналов); 3. пропускной способностью или максимальным количеством сигналов, которые могут быть переданы без искажения в единицу времени. Наиболее интегральным показателем является третий и нужно отметить, что пропускная способность системы не превышает пропускную способность ее самого «медленного» звена, а таким звеном часто является человек. Минимальная сила агента, вызывающего возбуждение и дающая ощущение сигнала, называется абсолютным нижним порогом (I min ). В ряде случаев абсолютные нижние пороги рецепторов ниже, чем у известных технических датчиков (например, для глаза этот порог составляет 8 10 фотонов, для органа слуха эрг/ *с). Чем выше интенсивность сигнала, тем сильнее ощущения, хотя зависимость и нелинейная. При превышении определенного уровня ощущение сигнала сменяется болью. Поэтому, верхним абсолютным порогом ( ) считается максимальная сила агента, еще не вызывающая болевого ощущения (например, верхним абсолютным порогом яркости считается 22,5 стильба, для органа слуха 140 децибел). Диапазон рецептора определяется разностью между верхним и нижним абсолютным порогами (D= - ) т. е. интервал физической силы сигнала от минимального ощущения до болевого. 103 104 В пределах диапазона работает «человеческий датчик». Например, диапазон восприятия звука /по частотам/ составляет Гц. и т. д. Величины абсолютных порогов и диапазонов для всех анализаторов приведены в табл. 1. Но помимо диапазона рецептора, или «размер его шкалы», необходимо учитывать «цену деления» или дифференциальный порог различения. Дифференциальный порог оценивается по величине минимального прироста силы сигнала, обеспечивающей изменение ощущения. Экспериментально установлено, что минимальный прирост ( ), отвечающий этим требованиям (в том числе «сигнал фон») подчиняется уравнению, известному как закон Вебера: I min 0,03 I фон, (6.2) где: превышение интенсивности сигнала над фоном, фон. Для ощущения изменения веса груза (100 г) на ладони нужно прибавить не менее 3 г. Закон Вебера описывает дифференциальные пороги всех рецепторов, но справедлив только для сигналов в средине диапазона. Когда же мы имеем дело со слабым или очень сильными сигналами, указанное соотношение нарушается. Насколько точнее зависимость между и описывается логарифмически (закон Фехнера): S= lgi+, (6.3) где: S мера ощущения, (субъективная оценка), I интенсивность сигнала, константы (эмпирические). 104 105 Иными словами, дифференциальный порог в зоне средних нагрузок составляет 3 % от фона, но с приближением порогам изменяется пропорционально логарифму величины сигнала. Но трудность подбора нужного по интенсивности сигнала заключается в том, что и не постоянны. У человека изменяется в довольно широких пределах. При длительном воздействии сигнала рецептора перестает на него реагировать адаптируется, и естественно изменяется его. Адаптация капитальное свойство живых датчиков, в связи, с чем человек при постоянном действии сигнала одной и той же силы перестает ощущать его. Практически адаптируются все рецепторы, кроме вестибулярного и болевого рецепторов. 105 106 Таблица Абсолютные пороги анализаторов (по Б.Ф. Ломову) Анализатор Сигнал I min Диапазон Число относительных различений зрительный белый свет (интенсивный) Цвет Прерывистый свет (белый) (2,2 5,6) /10-10 эрг 300 ммк 1 Гц (2,2 5,7)/10 эрг 1050 ммк 50 Гц слуховой интенсивность звука; 10-9 эрг/см эрг/см 2 частота; Гц Гц Шум прерывистый 1 Гц 2000 Гц кожномеханический вибрация по амплитуде; 0,00025 мм 40 дб выше N и давление; 0,026 эрг 26,10 3 эрг вибрационный частота колебаний 1 Гц Гц температура тепло 0,00015 м. кал. 0,218 м кал. см 2 с I max. - 2 см с статодинамический обоняние вкус положение тела, движение; угловое ускорение, линейное ускорение запах вкус 0,2 0,7 град 0,12 град/с 2 0,08 см/с мг/м гр.мол. конц. р-ра - 5 8g '' 107 Человек адаптируется к монотонному звуку (перестает его слышать), запаху, давлению одежды и т.д. Таким образом, рецептор реагирует не на стимул как таковой, а на градиент силы его (не на свет, а на изменение интенсивности). Рис Темновая адаптация Например, скорость темновой адаптации (приспособление для различения сигналов в темноте после пребывания на свету) составляет мин, и только после этого времени полностью восстанавливается светочувствительности глаза. Световая адаптация (переход из темноты) длится 5 20 мин., но в первые минуты может возникать эффект слепящей яркости. Скорость адаптации меняется (замедляется) при резком изменении положения тела в пространстве и др. Чем больше разница в интенсивности, тем больше время адаптации. В связи с этим, прерывистые сигналы, при прочих равных условиях, действуют сильнее, чем непрерывные. Кроме состояния рецептора на величину порога оказывает влияние и состояние центра (утомление, отвлечение и т.д.). Таким образом, величина порога рецептора зависит от двух факторов: 107 108 1. Состояния рецептора, предшествующего действию сигнала (находился ли он в состоянии покоя, возбуждения и какое время и т. д.). Возбуждение само по себе изменяет порог по отношению к последующим сигналам. Например, после яркой вспышки на экране слабая вспышка не видна, после сильного звука слабый звук не воспринимается. 2. Состояния центра анализатора. При возбуждении центра путем обратной связи повышается возбудимость рецептора. Установка на получение определенного сигнала создает оптимум возбудимости центра и рецептора. Если человек ожидает появление определенного сигнала он различит его при действии помех, даже при его низком уровне. При слишком сильном возбуждении центра могут быть иллюзорные восприятия (ошибки). Ряд физических агентов (сильные магнитные поля, СВЧ и др.) могут оказывать прямое влияние на мозг и быть, таким образом, помехами восприятия. Поэтому, для определения надежности восприятия, нужно знать не вообще порог рецептора, а порог в данных условиях, т. е. учесть уровень исходной адаптации. Это и есть «физический ноль отсчета» (,где t данный момент времени). Согласно экспериментальным данным (по Стивенсу): S=k ( I ) n, (6.4) где: n константа направления перехода сигнала (например, для перехода свет темнота = 0.33, темнота свет = 0.45), k константа рецептора. Так описывается зависимость между объективной величиной сигнала I и субъективным ощущением у человека S: S = f (I) Определение этой зависимости производится методом прямого шкалирования. 108 109 Произвольно выбранный по интенсивности сигнал I 1 принимается за 100% (S 1 =100), а при заданном I n экспериментально определяют S n и строят график зависимости на основании обследования ряда лиц с последующей статистической обработкой. Составим такой график для нескольких значений I, можно путем экстраполяции предсказать S i при I i. Величина является стратегическим дифференциальным порогом, т. е. допускается, что интенсивность мгновенно, иными словами, переход от I 1 к I 2 осуществляется с бесконечно большой скоростью (V 1 ). Однако, при малом значении скорости человек не ощущает изменения интенсивности сигнала и S 1= S 2 при I 1 I 2. Поэтому, V min изменения интенсивности сигнала от I 1 до I 2, при которой S 1 S 2 называется пороговой скоростью ( DI min ): DI min = I min (1+ V V 0 i V 0 ), (6.5) где, I min - статический порог, V 0 - пороговая скорость, V i скорость изменения I 1 (V i >V 0 ) При V i, DI min =. Как видно из уравнения, чем меньше V i, тем больше DI min, т. е. чем медленнее изменяется сила сигнала, тем больших значения должен достичь градиент, чтобы человек получил новое ощущение. Таким образом, чтобы увеличить /уменьшить/величину S 1 нужно изменить V i, либо I min. DI min характеризует предельные значения изменений сигнала, которые могут быть восприняты оператором и используются только для ориентировочных расчѐтов при конструировании индикаторов. При предельных значениях порога надежность воспринятая и длительность безошибочной работы низки. 109 110 В связи с этим, большое практическое значение имеет, так называемый, оперативный порог различения ( I min при ΔPs max ), т. е. минимальное отличие интенсивности (дивергенции) сигналов, при котором достигаемся максимальная вероятность различия человеком. В этих случаях оператор может относительно долго и надежно воспринимать информацию. Чем больше дивергенции сигнала, тем больше скорость и точность работы. Зависимость Δ Рs (вероятности различения) от ΔI (дивергенции) показана на рис сигнала. Рис Верхний (болевой) и нижний пороги (слышимости) восприятия При величине оперативного порога имеет место Δ Рs max различений и дальнейшее увеличение дивергенции не влияет на вероятность появления ошибки. Оперативные пороги определяются экспериментально. Если V і, то ограничиваются установлением статического порога (Δ Imin), а затем увеличивают ΔI до максимального числа правильных опознаний. Если же интенсивность сигнала меняется с V і, то определяют V о для Δ Imin, вычис- 110 111 ляют ΔDI min и, увеличивая дивергенцию, находят ΔI, соответствующее максимальному различению. Однако, как отмечалось выше, восприятие сигнала зависит не только от состояния рецепторного аппарата, но и от центра анализатора. Установка на восприятие сигнала (универсальный поиск, высокая вероятность появления сигнала, ожидание и определенная программа поведения) облегчает его выделение из шума. Уровень тренировки оператора к выполнению данной работы, сосредоточенность внимания и, наконец, подкрепление сигнала сочетанными сигналами с других анализаторов уменьшают число ошибок восприятия. В то же время, наличие помех, утомление, напряжение и т. д. снижают возможности человека по приему информации. Оценка восприятия информации может быть дана только с учетом деятельности оператора, среды, в которой он находится, и общих требований функционирования системы. Литература к 6 лекции. 1. Бабский Е.Б., Косицкий Г.И. и др. Физиология человека, М., Бойко В.В. Особенности запоминания телевизионного сообщения в зависимости от характера музыкально - шумового оформления. IV cъезд психологов СССР Тбилиси, 1971, стр Гагарин Ю., Лебедев В. Психология и космос, М., Джеллард Ф. Кожные системы связи. «Теория связи в сенсорных системах», М., Журавлев В.П., Кудрявцева В.И. Аппаратура для исследования тактильного канала. Работы П ВИС. «Развитие физиол. приборостроения». М.: Каминский Б.Б. Биологическая радиосвязь, Киев, I Крейн И.М. Об изучении процесса восприятия речи человеком. «Моделирование в биологии и медицине», стр , Киев, 112 8.Кудрявцева В.И. О взаимодействии сенсорных систем человекаоператора в связи с проблемой повышения работоспособности. «Пробл. сенсорной изоляции». М., 1970, стр Лекция 7 Переработка информации человеком. Возбуждение, торможение. Свойства нервных центров. Психические процессы: внимание, наблюдения, память, представления. По входным каналам информация поступает в головной мозг человека. Детально процесс обработки информации в мозгу человека еще не выяснен. Суть обработки информации сводится к построению образа (отражения) внешних сигналов или концептуальной модели, на основе существующей информационной модели, причѐм в основе этого процесса лежат элементарные нейронные акты (возбуждение торможение). Можно отметить 3 принципа функционирования мозга: 1. Детерминизм изменения состояния («перерабатывающей системы») мозга обусловлено внешними причинами (поступлением сигнала). 2. Анализ и синтез поступающая информация, анализируется разлагается на элементы и из этих элементов создается (синтезируется) образсообщение. 3. Структурность циркуляция и обработка информации связана с определенными структурами мозга, т. е. «входы» имеют определенные центры, связанные между собой. 112 113 Все сигналы по «входным» каналам в виде двоичного кода поступают в центры анализаторов (группы нейронов). Эти центры функционируют по определенным законам, которые помогают нам разобраться в реакциях человека. 1. Суммация. Центр может иметь несколько «входов» и один «выход», причем выходной сигнал зависит от числа включенных входов: Суммация Рис.7.1. Суммация получаемой человеком информации Например, ощущение температуры, вибрации и т. д. будет значительно сильнее при нескольких точках приложения агента; сочетание светового и звукового сигнала, дает более сильный эффект, чем каждого в отдельности. Суммация может быть не только пространственной (о чем упомянуто), но и временной (последовательной), т. е. действие слабого сигнала во времени может суммироваться, и осознаваться человеком. 2. Усилие вследствие изменения I min (порога) и повышенной возбудимости центра входной сигнал может быть усилен на выходе. При соответствующей установке человек реагирует на слабые сигналы или может гиперболизировать их значение. 3. Интеграция выходной сигнал возникает только при наличии определенного количества входных сигналов. Суждение или реакция у человека возникает при получении информации, скажем по 2 3 каналам (зрительный, тактильный и др.). 4. Деление на выходе возникает один из n поступивших на входе сигналов. 113 114 5. Торможение замедленное проведение или полное не проведение сигнала в центре. 6. Последствие возбуждение в центре, вызванное входным сигналом, сохраняется ещѐ некоторое время после окончания действия раздражителя. Чем сильнее раздражитель, тем дольше период последствия. Последствие дает возможность человеку воспринимать краткие (по времени) сигналы. 7. Иррадиация распространение сильного возбуждения (или торможения) на другие центры. Например, при аварийной ситуаций возникают в ответ на входной сигнал двигательные реакции (суетливость) и т. д. 8. Сопряженная функция центров (индукция) возбуждение одного приводит к возбуждению (либо торможению) другого определенного центра. Например, для человека характерна сопряженная реакция рук, а при необходимости управления с движением одновременно рукояток в противоположных направлениях чаще возникают ошибки. 9. Доминанта выраженное возбуждение в одном из центров (преобладающее), тормозящее возбуждение в других и «стягивающее» все сигналы «на себя», т. е. входные сигналы других центров могут усиливать возбуждение доминирующего. (Это idea x в деятельности). Установка и связана с доминантной. 10.Чувствительность к недостатку кислорода. Некоторые центры, по сравнению с другими образованиям, особо чувствительны к гипоксии |