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東大システム創成学科平成１６年度　前期

　ヒューマンモデリングIX　人間機械系評価指標：• 自動化原則• 人間と機械の協調運転方式• インタフェース評価• 生理指標／作業負荷

(財)エネルギー総合工学研究所㈱日立製作所氏田　博士

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Progress of automation

Displaydevices

Operator

Process

Operationdevices

Displaydevices

Operator

Process

Operationdevices

Automaticcontroler

Displaydevices

Operator

Process

Operationdevices

Automaticcontroler

Displaydevices

Operator

Process

Automaticcontroler

Manual Automatedmanual

Supervisorycontrol Autonomous

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制御盤の変遷－BWR-4タイプ

東京電力（株）

福島第一原子力発電所

3号機／4号機

4

制御盤の変遷－BWR-5タイプ

東京電力（株）福島第ニ原子力発電所柏崎刈羽原子力発電所3号機／4号機

5

制御盤の変遷－ABWRタイプ

東京電力（株）柏崎刈羽原子力発電所6号機/7号機

6

人間中心の自動化(HCA)

• 完全自動化は究極の安全を達成？

•自動化システムを設計し製造しそして運用するのは人間

•自動化システムが故障した場合に対応するのは人間

•想定外の事象に対応できるのは人間

• 人間中心の自動化

•人間中心設計と同様に理想ではあるが･･･

•実現する方法論は?

•役割分担はバランスの問題

7

人間−機械の協調

8

自動化の理念(1)～(10)

(1)人間と自動化機器それぞれが得意とする適切なタスクを割り

当てよ

(2) 人間を常に意志決定ならびに制御ループの内側に置け

(3)人間を常に最終的権威者の立場に置け

(4)自動化システムの人間親和性を高めて作業をより楽で満足で

きるものとせよ

(5)自動化によって人間の能力を可能な限り増強せよ

(6)人間による高い信頼性を得るように自動化機器を構築せよ

(7)人間が望む全ての事柄について支援情報を提供すること

(8)人間のエラーを減らし人間の応答の変動を最小に抑えるよう

に自動化を行え

(9)人間を自動化システムの上位者、管理者とせよ

(10)人間と自動化機器の最適な組み合わせをはかれ

9

自動化レベルに応じた人間の資質

Scale of D egrees of A utom ation (Sheridan, 1992)

1.　 The com puter offers no assistance, hum an 　　 m ust do it all. 2.　 The com puter offers a com plete set of 　　 action altem atives, and 3.　 narrow s the selection dow n to a few , or 4. suggests one, and 5.　 executes that suggestion if the hum an 　　 approves, or 6.　 allow s the hum an a restricted tim e to veto 　　 before autom atic execution, or 7.　 executes autom atically, then necessarily 　　 inform s the hum an, or 8.　 inform s him after execution only if he 　　 ask, or 9.　 inform s him after execution if it, the 　　 com puter, decides to. 10. 　The com puter decides everything and acts 　 autonom ously, ignoring the hum an.

（手動） （アベイラビリティ リスト）（支援） （勧告） （代行） （後援） （実行報告） （実行通知） （実行告知） （全自動）

運転方式

現状の通常時のシーケンシャル制御（自動化レベル５相当）

現状の異常時対応　　　　　　　　（自動化レベル３相当）

将来に於ける協調運転　　　　　　（自動化レベル６相当）

　

要求される資質心理・ 生理的影響

プ ラ ン ト 状 況 把 握

ゴ｜　ル評価

無人化（ありえない）

操 作 ス キ ル

安 全 管 理

B

A

クル｜の協調

装 置 挙 動 理 解

C

D

ストレス 負荷

ワ｜クロ｜ド 負荷

モ｜ティブフォ｜ス

経 済 性

A B C D

（）

（）

10

動的機能配分における権限委譲

適応的機能配分、アダプティブ・オートメーション

人間と機械に割当てられた機能を、人間の状態や周囲の環境などの状況に合わせて動的に調整する機能配分

権限委譲

クリティカルイベント・ロジック

人間のワークロードが高くなる事象（クリティカルイベント）を定義し，システム運用中にこの事象の発生を検知した時，それまで人間が担当していたタスク（あるいはその一部）を機械に代替させるように機能を再配分

測定ベース・ロジック

人のパフォーマンスやワークロードをモニタし，それが適切でないと判断された場合に機能配分を見直す

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人間と機械の協調運転のための4タイプ7種類のアプローチ（1／2）

従来手法　　手法も要求事項もなし

技術中心の自動化新技術が開発されると適用

トップダウンアプローチ　　手法ではなく要求事項

人間中心の自動化人間と機械の特徴に基づく役割分担を議論

確率的アプローチ　　人間と機械の役割分担の議論に有効だが、　　大きな人間信頼性の誤差幅のために困難を伴う

PSA評価結果に基づきプラントレベルの分担議論可能

信頼性モデル人間信頼性に基づきシステムレベルの分担議論可能

ボトムアップアプローチ

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人間と機械の協調運転のための4タイプ7種類のアプローチ（2／2）

従来手法

トップダウンアプローチ

確率的アプローチ

ボトムアップアプローチ

　　真の人間中心自動化システム概念は、新たな手法から生じる作業仮説：究極の自動化範囲は、故障を自動発生させたシミュレーショ

ンの繰り返しにより理解できる

手順指向の自動化：兆候ベース手順のアルゴリズム化

全自動化試行：学習つきファジー制御器

エージェント指向自律分散システム：人間と機械のエージェントの協調

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適応プロセス

ハイパーカード オブジェクト指向

階層性

ホラーキー ヘテラーキー

協調 vs. 分散

統一と創造

協調作業支援と協調運転方式

キーワード

ホロン 自律分散システム 自己組織化

マルチエージェント 分散計画器 多重人格

心の社会 分散人工知能

原理と戦略

競合の回避継承

ブラックボード フレーム

分岐とネット協調 vs. 競合

役割分担 会話

手法

人間−機械協調運転方式を支援する各種原理

14

休み

ここでひと休み

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ヒューマンインタフェースの評価の具体例1

1. ビデオ分析（think aloud法）

システム試用の被験者にすべて感じたこと思ったことを発話もらい，動作とともにビデオに記録

深くよく分かるが，解析には時間を要する

多人数対象には向かない

2. アンケート調査

アンケートの設計に時間を要する

被験者の主観，個人差が反映される利点と欠点がある

システムの使用感について後から記憶をもとに書いてもらうことから，個々の細かい使い勝手の問題を見つけにくい

多人数対象可

統計処理可能　

3. 評価ツールを組込む

4. 定量的な評価実験

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ヒューマンインタフェースの評価の具体例2

1. ビデオ分析（think aloud法）

2. アンケート調査

　

3. 評価ツールを組込む

ユーザの反応を記録するツールを組み込む

ある程度の人数を対象に実験できる

実用場面での評価データが得られる

多人数対象でも可能

統計処理が可能．理由までは分かりにくい

　

4. 定量的な評価実験

定量的に善し悪しを議論できる

実験室課題にならざるを得ない

被験者の層別分類，実験課題の設計などに工夫が必要

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プロトタイピング(インタラクションデザイン)

カスケードアプローチ：正確に早く

観察法・面接法

1. アイデアメモ

　概略仕様

2. 画面スケッチ

　要素配列　

3. ストーリーボード

　画面イメージを手順の時間軸に沿って配置　

4. 機能模型実体シミュレーション

ビデオシミュレーション

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インタフェースのプロトタイピング

プロトタイピング型開発（ソフトウェア開発に応用）•最終形態の原型を作成する　　↓•評価する　　↓↑•原型を修正する

インタフェースのプロトタイピング•ハードウェアも対象となる（Mockupモデルの作成）•ユーザとの接点となる外面的な機能が対象

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プロトタイピングの進め方

•分析段階•ユーザの特定　－習熟度（初心者？　熟練者？）•利用目的　－機器導入の目的（効率化？）•利用状況　－シナリオベースデザイン（様々なシナリオ）

•試作段階•ラフスケッチ／ラフモックアップの作成•詳細スケッチ／詳細モックアップの作成•手順デザイン　－紙プロトタイプ、電子プロトタイプ• 機能モックアップの作成　－ハード／ソフトの統合

•設計評価段階•初期段階　－インスペクション法•中期以降　－ユーザビリティテスティング／プロトコル解析

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ユーザ分析：モデル化手法

ユーザやタスクに関するモデルを構成する•インタフェース概念の把握•インタフェースの問題発見•操作性についての予測評価、など

認知心理学分野•ヒューマンモデル（ユーザモデル）

人間工学分野•タスクアナリシス

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ユーザ分析：検討課題

目的（実施する前に考えておくこと）

フォーカスは何か（何をわかろうとしているのか）「どのように使っているか」「どういう場面で使っているか」

誰について知りたいのか（調査対象者のリクルート）顧客リストから選ぶ知人・友人に頼む住民台帳から、新聞・雑誌に募集広告を出すイベントなどに集まった人に依頼、街頭で依頼

使える時間・予算はどれくらいあるか質問紙の送料、交通費、謝礼、食事代、ビデオ・録音の分析時間等どの方法が最適か？

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タスクアナリシス（タスク記述モデル）

‐ユーザの行動やタスクを記述する枠組み

‐タスクの種類や目的により様々なモデルが提案

‐GOMS

‐Cardらのモデルヒューマンプロセッサを核：S.K.Card,1983

‐ユーザの認知構造を４つの要素

‐（Goals, Operators, Methods, Selection rules）により記述

‐キーストロークレベルモデル(KLM)

‐同じくCardらのモデルヒューマンプロセッサを核

‐ 実用化に重点

‐一連の動作を単位動作（キーを押す）まで還元

‐T(課題)= T(獲得)+ T(実行)

‐T(実行)= T(キー)+ T(ポイント) + T(移動) + T(描画)

‐　　　　　+ T(精神的準備時間) + T(システム応答時間)

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専門家のメンタルモデルの空間（海保を改訂）

抽象

（概念） 熟練者

初心者 Ｈow

（方法）

Ｗhy

（目的）全体部分

説明レベル

具象

（表現）

対象レベル

説明の型

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認知的課題分析：目標-手段分析J.Rasmussen, 1986

目標-手段の抽象度階層

1. 機能的目的 理由

2. 抽象的機能

3. 一般化された機能

　

4. 物理的機能

5． 物理的形態 原因

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Hierarchical model with three levels of event, task,and cognitive process for an event based on the Rasmussen's decision making model for a task

Event

Task 2

Task 3Task 1

Task 4

Detect

InterpretIdentify

Observe Define Task

Event Level

Task Level

Cognitive Process Level

Reconfirm

Define Task

Reconfirm

Define Task

Interpret

Identify

Observe Define Task

Form

Reconfirm Procedure

Procedure

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Conceptual scheme of cognitive process in knowledge-based behavior in emergency situations

Initial Mental Model (Initial Hypothesis)

Revised Mental Model (Revised Hypothesis)

Confirmed Mental Model

Allowable Time T

t0

Information

Knowledge

Crew Member

Plant Behavior

Revised Knowledge

(Test)

Goal Action

Trial Action

Inference

I0 K0

C0

M0

A1

P2

Inference

I1 K1

C1

M1

A2 Inference

I2 K2

C2

M2

Confirmed Knowledge

(Test)

P0 P1

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Hierarchical mental model corresponding to object and cognitive process

　　 ：Cognitive Process

　　 ：Mental Model

S, F ：Success, Failure

B

Countermeasure for A

a

・Qualitative Reasoning ・Inference from Functions and Configuration

Script

Procedure Selection

PlanProduction Rule

Frame

・Similarity ・Inference from Configuration

DetectionTemplate Matching Execution

Structure Dependent Rule

If（A->C） Then（Valve Open... Valve Close.......)

Change to C

Element C Valve Open Element A Valve Close

Element A Failure Block a Failure

F

S

F

S

FS F

S

A

BC

A

28

休み

ここでひと休み

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ヒューマンインタフェース評価の考え方

1. 人間工学的評価

身体データ・形状

パフォーマンス

2. 心理学的評価

質問紙

インタビュー

発話分析　

3. 認知工学的評価

視線・発話

認知過程モデル／メンタルモデル　

4. 生理学的評価

生理指標（脳波，心拍）

ストレス／ワークロード

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生理心理学的研究における３種の反応系

31

外的刺激がもたらすヒトの心理と生理のかかわり

さまざまな身体器官の生理反応を、生態情報センサーにより生理指標として計測し、人間感覚量と生理指標の間の相関性を導いて、人間感覚量を科学的に推定

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生体反応

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交感神経系と副交感神経系の機能～交感神経系と副交感神経系の拮抗により、

無意識にコントロールさせているヒトの身体器官の反応～

身体器官 交感神経系の活動 副交感神経系の活動

心臓 心拍数増加 心拍数減少

血管 一般に収縮 　

瞳孔 散大 縮小

網膜体筋 　 収縮（遠近調節）

涙腺 　 分泌促進

唾液腺 分泌（軽度に促進） 分泌促進

汗腺 分泌 --------------------

消化管運動抑制（括約筋促進）

分泌抑制

運動促進（括約筋抑制）

分泌促進

胆嚢 弛緩 収縮

膀胱 弛緩 収縮

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生理指標

1. 心電図2. 心拍数3. 血圧、脈圧4. 呼吸数5. 脳電位、脳波6. 瞳孔の大きさ・瞬目・眼球運動7. 筋電図・筋磁図8. フリッカー値9. 顔面皮膚温分布10. 発汗量

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生理指標の計測条件

(1)小型、軽量で、被験者の行動を制約しないこと（無拘束性）(2)計測により被験者の身体を傷つけたり極端な苦痛を与えないこと　（無侵襲性）(3)時系列的かつ連続的な変動特性の検討が可能なこと（連続監視性）(4)作業者に無接触で遠隔より監視が可能なこと（遠隔監視性）

(1)(2)の無拘束性と無侵襲性は、必要不可欠な条件(3)の連続監視性は、望ましい条件(4)の遠隔監視性は、将来的には理想的な計測法

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人間感覚量と生理指標の相関性(○：相関性有)

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心理生理学的諸概念の説明

心理生学的概念 意味

初期値の法則ある刺激または場面での特定の生理反応は、その刺激前の水準に依存し、その水準が高いほど与えられた刺激に対する反応は減少

自律系均衡交感神経系と副交感神経系のいずれが支配的かは人によって異なる

賦活人のパフォーマンスは、生理的活動水準によって変化この生理的活動水準を賦活度または覚醒度というが、賦活度とパフォー マンスとの間には逆U字型の相関

刺激反応特殊性人の心拍、呼吸、血圧、皮膚電位などの生理反応は、特定の刺激事態に応じてパターン化（単一の刺激事態に対する多数の人の反応傾向）

個体反応特殊性特定の人はほとんどの刺激に対して特徴的な反応を示す（多様な刺激事態に対する個人の反応パターンの一貫性）

心臓-身体仮説心臓反応と課題遂行に無関係な進行中の身体活動の抑制の間には相関

順応 同一刺激の反復提示により生理的反応性が減少

リバウンド強い刺激後の生理的変数は、その刺激によって生じた水準とは逆の方向に刺激前の水準以下に戻る

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メンタルワークロードとは

メンタルワークロード（mental work load: MWL）：精神的な作業負荷

ISO（国際標準化機構）の定義・精神的負荷（mental stress）

「外部から人間に対して及ぼし、かつ精神的に作用する評価可能な影響の全体」

・精神的負担（mental strain）「精神的負荷によって個人の内部に直ちに起こる影響(長期にわたる影響ではない)であって、各人の対処様式を含み、個人の習慣及びその時の条件に依存するもの」・ 促進的効果と減退的効果・ 疲労と疲労様症状

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メンタルワークロードの指標としての主観指標

MWLの主観測定尺度NASAが開発したNASA－TLX （taskloadindex）種々の作業場面での主観構造の検討から抽出された，6因子

の素得点をもとに，個人の評価基準の重みづけを考慮して総合的負担度を算出• 精神的負担• 身体的負担• 時間的切迫感• 課題遂行度• 努力• 葛藤水準

情動的側面の評価項目がやや不足MWLの情動的側面を考えた場合，プラントでの作業やオフィ

スワークなどの場面で基本となるのは,その環境において生起される感情や情動

とくに，作業場面で指摘されるのは，覚醒水準の低下やストレス感，疲労感など

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メンタルワークロードの指標としての生理指標

• 血液や尿・唾液などを採取して成分を分析する生化学的方法• 心電図や脳波など生体の発する電気信号や皮膚温・脈波などのように皮膚にトランスデューサを装着して測れるものを指標とする生理心理学的な方法

自律神経系指標は，MWLによって直接的に生じる覚醒反応と，情動により二次的に生じる反応を，同時にとらえていると考えられ，精神的負担の評価に適している

自律系指標のうち，心臓血管系と呼吸系にかかわる指標• 呼吸• 心拍　• 血圧• 一回拍出量• 脈波

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まとめ

• 自動化原則は存在するが実適用には困難が伴う

• 完全自動化ではなく，人間と機械の協調運転方式を考えるべき

• インタフェース評価には様々な指標の組み合わせが必要• 生理指標／作業負荷は評価指標の代表例

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参考文献海保、原田、黒須：認知的インタフェース、新曜社、1991稲垣敏之：人間機械系における自動化レベル設定へのリスク工学的アプローチ、2004年電子通信情報学会総合大会Ujita, H.

Human Characteristics of Plant Operation and Man-Machine InterfaceReliability Engineering and Systems Safety, Vol.38, pp.119- 124, 1992

氏田、久保田、河野プラント運転員の緊急時における認知過程の実験的分析人間工学 Vol.29, No.4 pp.239-248, 1993

氏田、久保田、藤家プラント運転クルーのコミュニケーション形態の実験的分析人間工学 Vol.29, No.4 pp.249-257, 1993

氏田、久保田プラント運転員のための適応ヒューマンインタフェースの提案とインタフェース評

価手法の検討原子力学会誌 Vol.36, No.7, 1994

http://www.kitamura.qse.tohoku.ac.jp/̃m.takahashi/human/human6.files/frame.htmhttp://hydro.energy.kyoto-u.ac.jp/Lab/staff/shimoda/lecture2000/http://hydro.energy.kyoto-u.ac.jp/Lab/students/obayashi/seiri-test/mokuji.html

43

おわり

44

シミュレータ実験の分析項目と収集データの関係

　　　　　　　　　　　　　 　タスク　自動分析　　発話　　観察　インタビュー　行動　

　　　　　　　　　　　　　　　 　分析 　(ANN,SW)　　分析　　　　　　　　　　　　分析

定量　個人・クルー　エラー確率　　　　　○　　　○　　

定量　個人・クルー　リカバリ確率　　　　○　　　△　　　　　○　　

定量　個人・クルー　リカバリ時間　　　　○　　　△　　　　　○　　

定量　　　　クルー　応答時間　ａ　　　　○　　　△　　　　　○　　

定量　　　　クルー　実行タスク数　ｂ　　○　　　△　　　　　○　　

定量　　　　クルー　ー＞ａとｂの相関　　○　　　△　　　　　○　

定量　　　　クルー　有効交換情報量　　　○　　　△　　　　　○　　

定性　個人・クルー　認知過程複雑さ　　　○　　　△　　　　　○　　　○　　　○　

定性　個人・クルー　診断方式　　　　　　○　　　△　　　　　○　　　○　　　○　

定性　個人・クルー　エラーの原因　　　　○　　　○　　　　　○　　　○　　　○　　　

定性　個人・クルー　リーダーシップ形態　　　　　　　　　　　　　　　○　　　

定性　　　　クルー　会話形態　　　　　　○　　　△　　　　　○　　　○　　　○　　　

定性　　　　クルー　クルー協調形態　　　○　　　△　　　　　○　　　○　　　○　　　　○　

定性　　　　クルー　議論したタスク　　　○　　　△　　　　　○　　　○　　　○　　　　　

定性　　　　クルー　情報交換タスク　　　○　　　△　　　　　○　　　○　　　○　　　　

定性　　　　クルー　ー＞各種の相関　　　○　　　△　　　　　○　　　○　　　○　　　　○　

定性　　　　クルー　クルー行動範囲　　　○　　　△　　　　　○　　　　　　　　　　　　○　

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Human performance measures

I n d iv id u a l Op e r a t o r Op e r a t o r Cr e w

Qu a n t it a t iv e Me a s u r e s

Qu a lit a t iv e Me a s u r e s

Er r o r P r o b a b ilit y Re c o v e r y Pr o b a b ilit y … … … Re c o v e r y Tim e … … … … … . Re s p o n s e Tim e … … … … …

Co g n it iv e Pr o c e s s Co m p le x it y Le a d e r s h ip Ty p e … … … … ..

Co m m u n ic a t io n Ty p e Le a d e r s h ip Ty p e Cr e w Co lla b o r a t io n Po s it io n c o v e r e d Co lla b o r a t io n a n d d is c u s s io n I n f o r m a t io n e x c h a n g e a n d c o g n it io n Co m m u n ic a t io n Ch a r a c t e r is t ic s Co m m u n ic a t io n As p e c t

I n f o r m a t io n Ef f e c t iv e ly Ex c h a n g e d Nu m b e r o f Ta s k s Ex e c u t e d Re c o v e r y Pr o b a b ilit y Re c o v e r y Tim e Re s p o n s e Tim e Re s p o n s e Tim e a n d No . o f Ta s k s

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認知処理要求区分

　　　要求区分の説明

1 知覚のイメージ化

感覚的に把握し易く、錯覚がない。操作感・操作イメージがある。時間遅れが少ない。一貫した方法で情報が提供される。

2 自然な切替特に意識せずに対応しても良い場合には、行うべきタスクに容易に直結できる。

3 意識化 特に意識せずに対応してはならない場合には、意識化させる。

4 紛らわしくない

知覚認識した情報の意味が他のものと区別され紛らわしくない。区別の仕方は一貫性を持っている。

5 習慣・イメージとの整合

知覚認識した情報の意味が運転員の日常感覚・ステレオタイプ・習慣およびプラントに関するイメージと整合がとれている。

6 複雑さの縮約

知覚認識された情報は簡略で意味が容易に分る。情報に複数の意味を持たせない。

7 割り込まれない

知覚認識から対応までの間で不必要に割り込まれない(割込まない)。一連の作業が中断されずに行うことができる。

8 注意範囲への集約

注意の範囲内へ集約して表示し、関連する異種の情報を統合して表示する。

9 状況判断の容易さ

知覚認識した情報から状況理解・問題同定・原因診断が容易に行える。

10 行動計画の立案

状況判断に基づき行動計画が容易に立てることができる。

11 適切な対応スキルベースの対応、あるいは状況判断および行動計画した対応を適切に素早く実行できる。

認知過程からの要求

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評価作業中の画面例

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Fittsの法則

•Tポインティング＝T動作を開始するための時間　＋　T総移動時間　ｘ　難度　＋　T微調整難度

　難度＝ｌｏｇ2（２Ｄ／Ｗ）　微調整難度＝ａ　＋　ｌｏｇ2（ｂ／Ｗ）　　 Ｄ：移動距離　　Ｗ：ターゲットの幅