Введение

Большинство типичных техногенных объектов на сегодня представляют собой эргатические системы, под которыми понимают сложные системы управления, составным элементом которой является человек-оператор. При этом человек-оператор является главным источником возникновения внештатных и аварийных ситуаций в эргатических системах, провоцируя до 70 % их из общего количества инцидентов [7].

Анализ деятельности оператора свидетельствует, что ошибки оператора проявляются в трех функциональных частях: мотивационной, ориентировочной и исполнительной. При этом наиболее действенными мерами по снижению аварийных ситуаций и несчастных случаев на производстве является профилактика нарушений исполнительной части, а именно – профессиональный отбор кандидатов на операторские должности [4].

В связи с этим возникает задача определения профпригодности операторов, решение которой является важным и актуальным для повышения надежности человека-оператора в структуре эргатической системы.

Целью работы является разработка методологии оценки профпригодности оператора эргатических систем, обеспечивающей требуемую точность и достоверность оценки.

Методы исследования

Для успешного обучения и эффективной профессиональной деятельности оператор должен обладать соответствующими профессионально-важными качествами (ПВК), которые определяются как физические, анатомо-физиологические, психические и личностные свойства человека, необходимые для решения его профессиональных задач [1].

В связи с этим разработаны многочисленные подходы к оценке ПВК, основанные на методах тестирования и лабораторного эксперимента и направленные на моделирование операторской деятельности.

В настоящее время наиболее известны подходы к оценке профпригодности на основе профессиограмм [3, 2] и посредством оценки успешности операторской деятельности на отдельных ее этапах [6].

В то же время следует отметить, что задача оценки профпригодности оператора не тривиальна в силу сложных перекрестных связей между ПВК, сложности интерпретации результатов тестирования и формализации процессов операторской деятельности. До сих пор недостаточно изучены вопросы выбора отдельных ПВК, их взаимосвязь с успешностью операторской деятельности, отсутствует единый методический подход к проведению исследований, наблюдается неполнота решения проблемы профотбора оперативного персонала эргатических систем на основе достижений современных интеллектуальных технологий.

Для представления и анализа знаний о профессиональной деятельности человека-оператора в структуре эргатической системы управления представим процесс взаимодействия человека-оператора, технической системы и среду в виде семантической сети, как показано на рис. 1.

Введем понятие акта операторской деятельности: под актом операторской деятельности понимаем законченную последовательность отдельных неповторяющихся операторских действий, реализующих единичный цикл управления.

Согласно этому в дальнейшем будем рассматривать операторскую деятельность в виде цикличного выполнения актов операторской деятельности.

Рис. 1. Модель анализа процесса взаимодействия в эргатической системе

Учитывая известное разделение операторской деятельности на некоторые типичные этапы, примем правомочность разделения акта операторской деятельности на отдельные этапы:

С = {Сi}, i = 1, N

где Сi – элемент системы, представляющий отдельный этап операторской деятельности (под элементом системы понимается простейшая неделимая операция), i – количество этапов операторской деятельности.

Каждый из этапов операторской деятельности, в свою очередь, характеризуется набором элементарных операторских действий:

где Ci – элемент системы, представляющий этап операторской деятельности, i – количество этапов, Kj – операторское действие, i – количество действий.

В качестве условия декомпозиции выбрано условие пересечения множество элементарных действий: если для любых j и l множество элементов системы не пересекается то дальнейшей декомпозиции не требуется.

На основе анализа графа операторских действий на предмет выявления контура неповторяющихся операторских действий С1 → Сi → Сi+1 → СN, предложено выделять четыре этапа операторской деятельности: С = {С1, С2, С3, С4}, где С1 – этап приема и восприятия поступающей информации, С2 – этап оценки и переработки информации, С3 – этап принятия решений, С4 – этап реализации принятого решения, отображающие последовательное изменение модели оперативного управления, как показано на рис. 2.

В соответствии с известной моделью очередности операторских действий Y. Liu и C. Wu [8] на схеме последовательности этапов операторских действий выделим сенсорный, когнитивный и моторный уровни.

Рис. 2. Системная модель операторских функций

Концепция оценки профпригодности базируется на основе анализа эффективности действий на каждом из выделенных этапов операторской деятельности и уровней очередности операторских действий с учетом известных требований к содержанию ПВК, определенных в профессиограммах.

Рис. 3. Модель эргатической системы

Согласно триадной системной концепции, предложенной в работе [5], описание эргатической системы может быть представлено в виде множества триад, образованных множествами системообразующих факторов: Sэс=< Ф, Н, Str, P, W, G>, где Ф – множество первичных элементов ЭСУ (человек-оператор, машина, среда), Н – множество отношений между базовыми элементами ЭСУ, Str – множество структур, Р – множество параметров базовых элементов (параметры ЭСУ), W – интегративные свойства системы (свойства ЭСУ), G – цели функционирования системы, как показано на рис. 3.

На основе данной триады выделим контур человека-оператора в структуре эргатической системы: , , , где – человек-оператор, w – интегративные свойства контура управления человеком, p – параметры человека-оператора.

Тогда триада системообразующих факторов человека-оператора примет следующий вид: Sчо=< U, Нчо, Strчо, R, T, G>, где U – множество базовых элементов человека-оператора (сенсорный, когнитивный, моторный уровни очередности действий оператора), Нчо – множество отношений между элементами системы, Strчо – множество структур, обеспечивающих организованность системы, R – множество параметров сенсорного, когнитивного и моторного уровней, Т – интегративные свойства системы (свойства человека-оператора), G – цели функционирования системы.

В свою очередь система параметров человека-оператора, характеризующая профпригодность, также может быть раскрыта в виде соответствующей триады Sпп=. При этом A представляет множество базовых элементов профпригодности (характеристики профессиограммы), Нпвк – множество отношений между элементами системы, Strпвк – множество структур, обеспечивающих организованность системы, Впвк – множество параметров базовых элементов (параметры характеристик профессиограммы), Z – интегративные свойства системы (профпригодность), G – цели функционирования системы.

Затем, раскроем систему профпригодности в виде характеристик профессиограммы и параметров, характеризующих успешность реализации производственных функций на отдельных этапах операторской деятельности, а также сенсорном, когнитивном и моторном уровнях операторской деятельности.

Рис. 4. Модель успешности операторской деятельности

Тогда, модель успешности операторской деятельности может быть представлена в виде многопараметрической структуры системных знаний: S={T, Z, A, U, Y, G}, где T – множество свойств человека оператора; Z – множество показателей профпригодности; А – множество характеристик профессиограммы; U – множество этапов операторской деятельности; YU – множество ПВК, определенных через U, YА – множество ПВК, определенных через А, Y – множество оцениваемых ПВК; Z – цель управления.

В этом случае модель цикла оценки профпригодности может быть представлена в виде пространственной структуры системных знаний S, рис. 4, где могут быть выделены следующие уровни анализа и обработки информации:

1. T→Z: Анализ операторской деятельности, представление знаний о профессиональной деятельности оператора ЭСУ.

2. Z→A: Выявление характеристик профессиограммы, характеризующих профессиональную пригодность оператора.

3. Z→U: Выявление параметров, характеризующих успешность операторских действий на отдельных этапах операторской деятельности и уровнях очередности.

4. A→YA: Выявление ПВК, соответствующих профессиограмме.

5. U→YU: Выявление ПВК, характеризующих успешность операторских действий на отдельных этапах операторской деятельности и уровнях очередности операторских действий.

6. : Выявление ПВК, используемых для оценки профпригодности.

Выбор ПВК YA осуществляется в четыре этапа:

1. Выявление характеристик профессиограммы P={A1, … , An}, покрывающих все этапы операторской деятельности: .

2. Обеспечение инвариантности характеристик профессиограммы посредством анализа матрицы коэффициентов взаимосвязей характеристик профессиограммы и внешних и внутренних параметров системы:

,

где E = {e1, e2, e3, e4} – совокупность внешних факторов (e1 – факторы трудовой среды, e2 – алгоритмизации действий, e3 – автоматизации, e4 – организации трудового процесса), O = {o1, o2, o3} – совокупность внутренних факторов (o1 – информационные, o2 – организационные, o3 – психофункционального состояния).

Затем осуществляется операция ранжирования rankC1(P) по критерию минимума: , обеспечивающего свойство инвариантности C1 характеристик профессиограммы.

3. Обеспечение значимости отдельных характеристик профессиограммы для эффективного выполнения операторской деятельности на определенных этапах посредством ранжирования множества характеристик профессиограммы P={A1, … , An} по критерию мощности (1-β): rankC2(P), где β – ошибка второго рода с использованием методов экспертной оценки.

4. Двухкритериальный выбор ПВК YA по критериям инвариантности C1 и мощности C2 с использованием диаграмм Парето посредством поиска парето-оптимальных решений , образующих множество Парето , и отсева слабо эффективных решений – альтернатив характеристик профессиограммы А', которые не может быть улучшены сразу по всем критериям C1 и C2. Отсев слабо эффективных решений сопровождается проверкой на условие покрытия совокупности альтернатив всех этапов операторской деятельности . В случае, если условие не выполняется, то отсев слабо эффективного решения не производится.

Выбор ПВК YА осуществляется на основе известных профессиограмм в соответствии с сформулированными условиями выбора альтернатив. Так как характеристики профессиограмм и ПВК являются терминами различных предметных областей, воспользуемся методами отображения онтологий.

Согласно этому, представим онтологию характеристик профессиограммы О1 и онтологию ПВК и психофизиологических параметров О2 и найдем отображение онтологии О1 на онтологию О2 посредством поиска для каждого из концептов онтологии О1 подобных ему концептов в онтологии О2.

С использованием одного из известных критериев подобия онтологий определим таким образом, чтобы выполнялось условие подобия сущностей и : , где t – уровень подобия, , . В результате отображения онтологий получаем множество , где n – количество ПВК.

Аналогичным образом осуществим процедуру выявления ПВК YU, характеризующих успешность операторских действий на отдельных этапах операторской деятельности и успешность действий на сенсорном, когнитивном и моторном уровнях.

Для этого осуществим отображение U онтологии О3 в понятии ПВК YU онтологии О4, где , .

В качестве меры близости двух понятий онтологии используем оценку длины кратчайшего пути между двумя соответствующими вершинами таксономии, соответствующих этим понятиям в таксономической иерархии (IS-A):

,

где N – глубина дерева, – длина кратчайшего пути между вершинами.

Затем, осуществляем процедуру выявления ПВК, используемых для оценки профпригодности ,

Общий алгоритм действий, описывающих процедуру оценки операторской профпригодности, представим в виде алгоритма-силуэта в соответствии с правилами визуального языка для построения блок-схем алгоритмов ДРАКОН, как показано на рис. 5.

Функционалом качества профпригодности является: .

где y1, … , yn – отдельные ПВК, E – совокупность внешних факторов, О – совокупность внутренних факторов.

Рис. 5. Алгоритм действий, описывающих процедуру оценки операторской профпригодности

Так как ПВК, в общем случае, не поддаются измерению, предложено осуществлять их оценку посредством измерения психофизиологических (ПФ) параметров, характеризующих ПВК. Для этого требуется найти отображение множества ПВК Y={y1, …y12} на множество ПФ тестов X={x1, …xn}, характеризующих ПВК Y→X, при котором одному элементу y множества Y соответствует один или несколько элементов х множества Х. Условием отображения является его сюръективность.

Выбор ПФ тестов осуществляется с использованием методов экспертной оценки, для чего изначально определяется множество ПФ параметров {xi}, а затем строится матрица образов, в которой принадлежность xi ПВК yi отображается единицей, а отсутствие – нулем.

Так как одни и те же ПФ параметры могут входить в состав различных ПВК, то интегральный показатель профпригодности определится в виде:

, , где .

Разработанный алгоритм реализует представленную методологию приобретения, обработки и представления знаний об операторских функциях и профпригодности оператора эргатических систем и описывает процедуру оценки профпригодности, включающую этапы выявлении характеристик профессиограммы и параметров, характеризующих успешность операторской деятельности, выбора ПВК и определения набора ПФ тестов.

Заключение

Таким образом, с использованием системного подхода разработана обобщенная многоэтапная методология построения системы поддержки принятия решений при оценке профпригодности оператора эргатических систем на основе приобретения, обработки и представления знаний об операторской деятельности.

Данная методология объединяет подходы к оценке профпригодности на основе профессиограмм, посредством оценки успешности операторской деятельности на отдельных ее этапах, оценки успешности операторской деятельности на сенсорных, когнитивных и моторных уровнях очередности действий.

Практическая реализация системы оценки профпригодности может быть осуществлена с использованием методов интеллектуального анализа данных и систем поддержки принятия решений для широкой номенклатуры операторских профессий и должностей.

Приведенные в статье результаты получены в рамках выполнения государственного задания на НИР в 2013 году при поддержке гранта № 2.1.2/11610 «Методическое, алгоритмическое и программно-техническое обеспечение исследования временных аспектов сенсорного восприятия человека-оператора».

Рецензенты:

Роженцов Алексей Аркадьевич, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой радиотехнических и медико-биологических систем, ФГБОУ ВПО «Поволжский государственный технологический университет», г. Йошкар-Ола.

Попов Иван Иванович, доктор физико-математических наук, профессор, профессор кафедры конструирования и производства радиоаппаратуры ФГБОУ ВПО «Поволжский государственный технологический университет», г. Йошкар-Ола.