Глава 6. Учет характеристик образа полета в инженерно-психологическом проектировании деятельности летчика.
6.2. Экспериментальная оценка влияния соотношения информационной среды и концептуальной модели на содержание оперативного образа и надежность действий человека (проблема визуализации полета).
6.2.1. Исходные теоретические положения и методика экспериментального исследования.
При организации экспериментального исследования мы исходили из положения о том, что формирующийся у летчика в полете образ пространства "геоцентрический". Он строится относительно земных координат: "началом отсчета" служит земля (гравитационная вертикаль и линия естественного горизонта), которая воспринимается как неподвижная, а самолет — как движущийся относительно земли. И в этом состоит специфичность .образа, формирующегося у летчика в силу требований его профессии. Она (эта специфичность) — основа надежной ориентировки летчика в пространстве. Образ, возникающий при полете на самолете у лиц земных профессий, можно было бы назвать "самолетоцентрическим". "Началом отсчета" в процессах восприятия и организации собственных движений у них является самолет: земля воспринимается как движущийся, а самолет — как неподвижный объект.
Специфичность образа, формирующегося у летчика, проявляется именно в визуальном полете, т.е. при непосредственном восприятии земли и наземных ориентиров.
Игнорированием этой специфичности обусловлена неэффективность (при современном уровне развития техники) так называемых визуализаторов полета, т.е. индикаторов, воссоздающих картину видимого пространства с точки зрения человека, находящегося в самолете (движущихся поверхности земли и горизонта), т.е. "самолетоцентрическое" изображение. Поскольку летчик не в состоянии надежно воспринимать изображение движущейся земли как неподвижную землю, у него возникает необходимость решения сложной задачи мысленной трансформации и переоценки воспринимаемой информации (восстановления действительного положения дел).
Восприятие изображения движущейся земли на индикаторе (например, на телевизионном экране) не может быть для летчика приравнено к восприятию из кабины самолета реального пространства. В визуальном полете сенсорно-перцептивные зрительные сигналы, как уже отмечалось, преобразуются в геоцентрический образ у опытного летчика без особых умственных усилий. Но при ориентировке по индикатору воспринимаемое изображение подвижной относительно самолета земли необходимо преобразовывать осознанно. Это не может не сказаться отрицательно на эффективности и надежности действий человека (задержка во времени, ошибки). Исходя из сказанного, мы предположили, что специфичность образа, формирующегося у летчика на основе концептуальной модели и соответствующих ей функциональных связей между анализаторами, должна выявиться только в полете при видимости земли, тогда как пространственная ориентировка в приборном полете у летчиков и нелетчиков должна протекать на основе сходных механизмов.
Экспериментальная проверка высказанных предположений была осуществлена Н.А. Лемещенко, В.В. Лапой и Е.Е. Букаловым в процессе инженерно-психологической оценки специализированной визуальной системы посадки (СВП).
СВП позволяет летчику при заходе на посадку ночью увидеть три луча — три протяженных ориентира, один из которых обозначает направление (курс) посадки, а два других траекторию (глиссаду) снижения. Лучи воспринимаются как видимый коридор, ведущий прямо к посадочной полосе. При отклонениях от курса глиссады посадки форма "ориентира" искажается — положение лучей меняется в зависимости от направления и величины отклонения. Летчики, выполняющие заход на посадку по СВП, отмечают, что проецируемые в пространстве лучи воспринимаются как протяженный ориентир, лежащий на земле, столь же надежный и неподвижный, как сама земля. Поскольку СВП — искусственная инструментальная система, постольку ее можно считать визуализатором полета, но визуализаторам, ориентированным относительно неподвижных координат земли, а не изменяющейся позиции самолета. Если при наличии СВП заход на посадку подобен визуальному, то без СВП в тех же ночных условиях полет осуществляется по приборам. Об этом, в частности, можно судить по временным характеристикам сбора информации при полете по СВП и без СВП.
Из полученных данных следует, что при использовании СВП летчик практически обходится без инструментальной информации, т.е. он выполняет визуальный заход на посадку. Без СВП полет выполняется по приборам с просмотром внекабинного пространства. Лишь эпизодически подавляющую часть времени летчик при этом тратит на восприятие приборов, дающих информацию о положении самолета относительно осей X, Y, Z, а также о положении по курсу и глиссаде посадки (т.е. на восприятие авиагоризонта и навигационно-планового прибора).
Качество захода на посадку оказывается лучше по СВП, чем по обычным приборам. Курс и глиссада пилотирования выдерживаются точнее. Кроме того, летчик способен больше времени уделять решению дополнительных, т.е. не связанных с пилотированием, задач.
Важным показателем визуализации полета при использовании СВП является улучшение ориентировки в пространстве.
В полете моделировалась частичная дезориентация, для чего закрывались шторкой окно кабины и приборная доска и вводились отклонения в режим полета. Задачей летчика было быстро и точно определить положение самолета после открытия шторки.
Если при использовании СВП максимальное время оценки составляло 2 с, то без СВП оно в 50% случаев превышало 2 с (максимальное время — 3,5 с). Восстановление нарушенного режима по СВП также осуществлялось быстрее: по СВП максимальное время равнялось 12 с, по приборам -за 12с восстановление происходило менее чем в 50% случаев, а максимальное время равнялось 50 с. При этом в полете по СВП взгляд летчика 97,4% времени был направлен вне кабины.
Совокупность полученных данных позволяет считать, что психологически полет по СВП — это визуальный полет, не требующий мысленного осознанного преобразования информации, которое характерно для полета по приборам и для которого необходимо дополнительное время при определении положения самолета в пространстве. "Пилотируя по приборам, — говорили летчики, — решаешь пространственную задачу, а с СВП все гораздо проще". Это "проще", несомненно, обязано визуализации полета. Восприятие лучей — протяженных ориентиров — равноценно восприятию естественных наземных ориентиров, расположенных возле пункта посадки. Отсюда — отсутствие дополнительных усилий на преобразование информации. Ориентировка происходит одновременно с восприятием лучей. "Данная система позволяет видеть, а не представлять по приборам положение самолета относительно глиссады, — говорят летчики. — Поэтому пилотирование по СВП близко к пилотированию в визуальном полете".
В нашем исследовании сравнивались два варианта передачи информации человеку: 1) при управлении реальным полетом по СВП; 2) при управлении по имитации (по наглядному изображению фигур, образуемых тремя лучами).
Для второго варианта достаточно было перенести эти фигуры на экран телевизора. Такой индикатор (экран 40Х30 см) был создан для проведения исследований на наземном имитаторе самолета.
Для летных исследований был оборудован Самолет-лаборатория, на котором полеты выполнялись ночью. Производились заходы на посадку по СВП. В качестве испытуемых выступили 22 высококвалифицированных летчика (7 из них участвовали и в летном, и в наземном экспериментах) и 10 нелетчиков, специалистов земных профессий операторского профиля; в дальнейшем будем называть их просто операторами. Все операторы участвовали и в летном, и в наземном экспериментах. Задачей испытуемых было определение положения самолета на траектории посадки (крен, положение относительно курса и глиссады). Доклад летчика или оператора звучал, например, так: "Правый крен, левее курса, ниже глиссады". Определение положения производилось после искусственно созданной дезориентации: испытуемый на определенное время, в течение которого вводились изменения в режим полета, лишался возможности получить информацию, так что положение самолета, воспринимаемое после дезориентации, было для него неожиданным.
В процессе исследования предполагалось сравнить действия летчиков и операторов: 1) на наземном имитаторе, 2) в полете, 3) действия операторов на имитаторе и в полете, 4) действия летчиков на имитаторе и в полете.
Задачей исследования было определение содержания оперативных образов, регулирующих действия двух групп испытуемых в разных условиях, а также оценка влияния сформированной у летчиков концептуальной модели на характеристики их действий.
И самолет, и наземный имитатор были оборудованы регистрирующей аппаратурой, позволяющей получить все необходимые выходные данные: временные характеристики действия, содержание речевых ответов, качество выдерживания параметров полета (при оценке действий летчиков), направление взгляда (у летчиков).
Процедура эксперимента заключалась в следующем: испытуемый находился на месте летчика (на правом кресле в кабине). Экспериментатор (летчик, командир корабля) изменял пространственное положение самолета, предварительно лишив испытуемого возможности наблюдать за изменениями режима. При этом возникали отклонения от заданной траектории и соответственно менялось взаимное расположение лучей (и по реальным лучам, и по их телевизионному изображению). По команде экспериментатора испытуемый должен был назвать положение самолета относительно заданного курса и глиссады посадки, а также определить крен: "Правее курса, выше глиссады, без крена" или, если ему было удобнее, положение лучей относительно самолета: "Курсовой луч слева, глиссада ниже, без крена".
Кроме того, летчики в некоторых полетах должны были не докладывать, а брать на себя управление и выводить самолет на заданную траекторию посадки.
Предварительно все испытуемые тренировались в определении положения самолета по изображению лучей, проводились ознакомительные заходы на посадку по реальным лучам.
В экспериментальных полетах использовалась реальная СВП, на наземном имитаторе — ее телевизионное изображение. В результате экспериментов регистрировались латентное время и содержание речевых ответов всех испытуемых, позволяющее выявить число и характер ошибочных решений. Действия летчиков, кроме того, оценивались на основании характеристик направления взгляда (регистрируемого при помощи специальной аппаратуры), латентного времени двигательной реакции, качества выдерживания параметров полета. После каждого полета проводился опрос испытуемых об особенностях восприятия ими изображения на имитаторе и реальных лучей в полете, о затруднениях в определении положения самолета.
При анализе неправильных решений выделялись ошибки двух типов. Первый тип связан с усложненной конфигурацией, образуемой лучами при отклонении одновременно по 2-3 параметрам. Это ошибки: 1) в определении положения относительно курса и глиссады при наличии крена; 2) в определении наличия крена при отклонениях самолета от курса и глиссады. Второй тип ошибок, по-видимому, связан со сложностью умственных преобразований информации, представленной абстрактными символами, в наглядное представление о пространственном положении самолета. К ним относятся в определении крена: а) отклонения по курсу; б) отклонения по глиссаде.
Остальные показатели обрабатывались и анализировались опробованными прежде в наших исследованиях способами [44].
6.2.2. Результаты исследования.
Сравнение действий летчиков и операторов (лиц земных профессий) при работе на наземном имитаторе показало, что есть некоторые различия в показателях качества деятельности этих двух групп испытуемых. Однако зарегистрированные в эксперименте показатели разнонаправленны: так, если число ошибок у летчиков несколько меньше, то латентное время реакции, напротив, больше, чем у операторов. Количество ошибок у летчиков составило 21%, в том числе ошибок первого типа 15,2%, второго — 5,8%. У операторов количество ошибок 34,3%, в том числе первого типа — 14,5%, второго — 19,8%, т.е. у операторов ошибок больше главным образом за счет ошибок в определении направления.
Как это ни парадоксально, операторы быстрее принимали решения о положении самолета. Характер ответов и летчиков, и операторов одинаков: и те и другие предпочитали оценивать положение самолета относительно курса и глиссады, а не наоборот, т.е. использовали геоцентрическую систему отсчета.
Выявленные различия нельзя считать случайными. Они определяются различием внутреннего психологического содержания действий, направленных на опознание ситуации полета.
Действия операторов, которые в процессе подготовки заучили конфигурации, образуемые лучами при разных отклонениях, сводились к сравнению перцептивного образа предъявляемой ситуации с образом-эталоном. Об этом говорили сами испытуемые: "Я использовал некоторые ассоциации положения лучей относительно экрана индикатора. Если правый глиссадный луч вверх — значит правый крен, если наоборот — значит левый".
Таким образом, переработка информации у операторов протекала на элементарном уровне, отсюда — быстрота их ответа. Образ, регулирующий действия операторов, сводится к "образу вилки", он не содержал наглядного представления о пространственном положении самолета. Редуцированностью образа у операторов объясняется и большое число допускаемых ими ошибок второго типа — перепутывание направлений. Ошибки второго типа — это типичные ошибки при использовании индикации "вид с самолета на землю", особенно для недостаточно обученных людей. Не случайно преобладают именно ошибочные определения направления крена: у операторов 1/3 всех ошибок составили эти ошибки; у летчиков доля этих ошибок равна 1/5.
Некоторое замедление ответа у летчиков по сравнению с операторами вызвано тем, что летчики действовали по более сложной схеме, осознанно преобразуя показания индикатора в представление о положении самолета, т.е. регуляция их действий осуществлялась образом пространственного положения. Большое латентное время ответов и особенно наличие ошибок у летчиков свидетельствуют о сложности преобразований информации от индикатора, построенного по принципу "вид с самолета на землю".
Если на наземном индикаторе получены сходные показатели эффективности действия летчиков и операторов и о различии внутренних механизмов действий можно лишь делать предположения, то данные, полученные в реальном полете, как нам кажется, могут служить доказательством специфичности образа, регулирующего действия летчика в полете.
*Число измерений 114. Различия достоверны Р = 0.05.
Обратимся к полученным результатам (табл. 6.6). Прежде всего обращает на себя внимание факт полного отсутствия ошибок у летчиков.
У операторов же число ошибок увеличилось с 34,3% при работе на имитаторе до 41,3% в реальном полете. При этом весьма характерно, что возросло число ошибок второго рода — с 19,8 до 31,6%, в том числе ошибок в определении направления крена с 11,1 до 18,4%. (И это в условиях реального полета, когда через окно видна не только земля, но и крыло самолета!)
Латентный период времени речевого ответа у летчиков в реальном полете существенно уменьшился, у операторов увеличился. По субъективным отчетам, операторы в полете испытывали большие затруднения в определении положения, но не из-за того, что изменилось изображение, а из-за увеличившейся скорости перемещения лучей: "Лучи в полете слишком подвижны, не успеваешь за ними следить". При этом лучи в реальном полете, как и на имитаторе, воспринимались операторами как перемещающиеся относительно него.
Что касается летчиков, то восприятие ими лучей в полете принципиально иное по сравнению с восприятием изображения лучей на экране телевизора: в полете коридор, образуемый лучами, воспринимается как лежащий на земле, протяженный в пространстве наземный ориентир, неподвижный, подобно самой земле. И летчик сразу непосредственно воспринимает — видит, где находится его самолет. Отсюда — быстрота и высокая точность определения пространственного положения.
В данном случае получены экспериментальные доказательства: а) специфичности образа восприятия, регулирующего действия летчика в полете, в отличие от образа восприятия нелетчика и б) того, что летчик в визуальном полете не только представляет, но и воспринимает (видит) землю и земные ориентиры неподвижными. Специфика содержания оперативного образа, формируемого на основе концептуальной модели летчика в полете, и обусловливает безошибочность оценки пространственного положения.
Рассмотрим, есть ли разница в действиях операторов при работе на имитаторе и в реальном полете.
Судя по количеству и характеру ошибок (табл. 6.6), эта разница чисто внешняя, определяемая различием "картинок на индикаторах", ибо для оператора СВП в реальном полете является таким же индикатором, как телевизионное изображение лучей. Но в связи с тем что в реальном полете лучи (в видимом поле) перемещаются ("бегают", "скачут") значительно быстрее, чем на экране телевизора, восприятие и оценка фигуры, образуемой ими, в полете затруднены. С точки зрения оператора, "индикация" в реальном полете хуже: больше зашумлена, чем на имитаторе, но различия этих вариантов не являются принципиальными, они чисто количественные. И в реальном полете, и при работе на имитаторе оператор использует обыденный образ пространства, который содержит символ-эталон, сопоставляемый с воспринимаемым символом. Цель его действий и в полете, и на имитаторе — опознать форму предъявляемой фигуры и отнести ее к одному из хранящихся в памяти эталонов.
Иначе говоря, внутреннее содержание действий оператора одинаково как при работе на наземном имитаторе, так и в реальном полете: оперативный образ, регулирующий действия, содержит только представления о конфигурации лучей при различных изменениях положения самолета. Поэтому и различия в показателях эффективности действия оператора определяются только тем, что в полете индикация несколько хуже, чем на наземном имитаторе, в связи с зашумленностью, а не их принципиальным различием.
Сравнение действий летчиков в реальном полете и при работе на имитаторе заставляет предположить, что эти действия различаются принципиально: не только по эффективности, но и по внутреннему содержанию. Они обусловлены различием не только воспринимаемой информации, но и внутреннего содержания оперативных образов, регулирующих действие.
На имитаторе летчик получает от индикатора информацию, которую приходится преобразовывать, и прилагает умственные усилия для формирования правильного представления о положении самолета. То, что имитация СВП построена по принципу "вид с самолета на землю", усугубляет трудности переработки, увеличивает время и число ошибок. При этом возрастает и латентное время исправления режима полета: если в полете оно не превышало 2 с, то при работе на имитаторе за такое время действия выполнялись только в 45% случаев. Анализ маршрутов перемещения взгляда показал, что если в полете летчик определял свое положение только по лучам, то при работе на имитаторе более чем в 50% случаев он обращался к обычным пилотажным приборам — авиагоризонту и навигационному. Кроме того, на имитаторе первые движения штурвалов в 12% случаев были ошибочными. Сопоставление эффективности действий летчика на имитаторе и в полете позволяет считать нецелесообразным конструирование индикаторов пространственного положения путем изображения на его лицевой части картины, видимой из окна самолета. Летчик, который адекватно воспринимает землю и земные ориентиры, несмотря на искажение чувственной основы образа, не может перемещающиеся индексы воспринимать как неподвижные. Чтобы представить себе подвижные индексы "привязанными" к земле, он должен приложить умственные усилия для преобразования информации в образ-представление. Поэтому изображение, в котором в качестве начала отсчета принят самолет, нельзя приравнивать к действительной визуализации полета.
Более того, как показали многие эксперименты [76, 80, III, 152], для повышения надежности ориентировки в пространстве более приемлемо изображение по типу индикации "вид с земли на самолет". В наших исследованиях это было подтверждено путем сравнения действий летчиков, использующих при работе на имитаторе попеременно изображение лучей СВП и обычные пилотажные приборы с авиагоризонтом, сконструированные по типу "вид с земли".
Рассмотрим основные результаты экспериментов, в которых принимали участие 8 летчиков, выполнивших 120 заходов на посадку. Качество управления практически не зависело от используемого способа передачи информации. При "пилотировании" по изображению СВП летчики активно использовали информацию от авиагоризонта — на нем взгляд летчика фиксировался 12,3% времени полета. Оценка отклонений от заданного положения самолета (по крену, курсу и глиссаде) осуществлялась по изображению СВП медленнее, чем по приборам, также медленнее они и исправлялись: по приборам максимальное время составляет 30 с, по изображению СВП — 50 с. Особенно существенным было отличие в числе ошибок определения положения: по изображению СВП в 4 раза больше, чем по обычным приборам. Обращает на себя внимание, что направление крена определялось неправильно в 34% случаев всех предъявлений крена.
Важный материал дает субъективное мнение летчиков об изображении лучей СВП. Прежде всего отмечается, что по такому изображению оценка пространственного положения затруднена при отклонениях от посадочной траектории. При этом особенно сложно определение положения, когда индицируется крен самолета. При отклонениях от заданной траектории, отмечали летчики, наглядность индикации мала, "символ воспринимался абстрактным". По изображению лучей "трудно ориентироваться, и задача пилотирования сводилась к удержанию нормальной эталонной формы символа" (Т-образной конфигурации, образуемой лучами). У летчиков изображение лучей на экране не ассоциировалось с неподвижной землей, и они воспринимали конфигурацию лучей как перемещающуюся, "стремились остановить лучи в определенной точке экрана".
Не обладая преимуществом наглядности, изображение СВП, как отметили летчики, не дает в то же время и количественной информации о параметрах полета, что, конечно, затрудняет пилотирование.
В наших исследованиях летчики использовали три системы информации: систему визуального полета (СВП в реальном полете), телевизионное изображение лучей СВП и систему электромеханических пилотажных приборов, выдающих в основном информацию о параметрах полета и положении самолета в пространстве.
Материалы экспериментов показали, с одной стороны, явное преимущество данной системы посадки по сравнению с обычной системой приборной индикации, с другой — преимущество обычной системы приборной индикации по сравнению с телевизионным изображением СВП.
Различия в эффективности и надежности действий летчика при использовании перечисленных систем обусловлены прежде всего психологически различиями оперативного образа, формируемого в каждом случае, и его соотношением с концептуальной моделью.
Особенности формирования оперативного образа в приборном полете описаны выше. Здесь лишь отметим, что информация, выдаваемая летчику приборами, ориентирована относительно координат земли, а следовательно, соответствует концептуальной модели — геоцентрическому образу полета. Поэтому оперативный образ, формирующийся при восприятии показаний приборов и регулирующий конкретные действия летчика, адекватен задаче пилотирования, обеспечивает возможность мысленной антиципации. Но приборные сигналы адресованы преимущественно вербально-логическому уровню отражения; на основе их восприятия формируется чувственно-обедненный оперативный образ, хотя и адекватный. В нормальных условиях это не сказывается на деятельности летчика, но при их усложнении обнаруживается неполноценность образа. В этой связи возникает задача его "чувственного насыщения". Она может решаться путем визуализации полета либо специального обучения летчика, направленного на формирование у него развитой (богатой) концептуальной модели; наиболее эффективно, конечно, сочетание обоих путей.
Лучи СВП также ориентированы относительно координат земли и соответствуют геоцентрической концептуальной модели, сложившейся у летчика в процессе его профессиональной деятельности. Оперативный образ, формирующийся при восприятии этих лучей, не требует специального мысленного преобразования перцептивного образа. Более того, он подкрепляет, усиливает и в некотором отношении чувственно обогащает концептуальную модель, обеспечивая вместе с тем хорошие возможности не только мысленной, но и перцептивной антиципации. При этом и фактически, и психологически полет по СВП — это визуальный полет. Этим объясняется легкость, естественность пространственной ориентировки. Оперативный образ при использовании СВП адекватен задачам такой ориентировки и пилотирования. При этом задача пилотирования даже облегчается, поскольку СВП не просто естественный ориентир, это — искусственно (в соответствии с требованиями управления летательным аппаратом) построенный в реальном пространстве протяженный ориентир (коридор), точно указывающий траекторию захода и посадку. Можно даже сказать, что это — "материализованный образ траектории", который прежде создавался в голове пилота, требуя значительных умственных .усилий.
Сложнее дело складывается при управлении самолетом по телевизионному изображению лучей СВП. В этом изображении воспроизводится не реальность, а, говоря словами А.Н. Леонтьева, "чувственная ткань" восприятия. При внешнем сходстве двух последних систем они принципиально различаются психологически. Формирующийся при восприятии телевизионного изображения оперативный образ ориентирован относительно не неподвижных земных координат, а движущегося самолета (самолет принимается за начало отсчета). Он не соответствует геоцентрической концептуальной модели, поэтому для того, чтобы этот образ мог выполнить свою регулирующую функцию, он должен быть мысленно перестроен, переструктурирован. Сознание летчика в данном случае направлено на то, чтобы отстроиться от впечатления изображаемых движущихся лучей и создать образ-представление, противоположный перцептивному образу. При этом ослабляется возможность антиципации. В результате снижается надежность и эффективность действий.
Сравнительный анализ оперативных образов, возникающих у летчика при работе с тремя разными системами (пилотажные приборы, СВП и телевизионное изображение СВП), приводит к выводу о том, что при проектировании летной деятельности, прежде всего при разработке технических средств отображения информации, а также методов и технических средств обучения, необходимо опираться на знание специфичности концептуальной модели, формирующейся у летчика в силу требований профессии — геоцентрического образа полета. Эффективность этих средств и методов в плане их влияния на надежность, скорость и точность человеческого действия зависит от того, соответствуют ли они концептуальной модели и способствуют ее подкреплению или, наоборот, мешают ее реализации. Главный вопрос здесь: на какую точку отсчета ориентирована система передачи информации (и методы обучения) — на координаты неподвижной земли или движущегося самолета.
