Психология труда

Вывод речевой информации в значительной степени позволяет разгрузить зрительный канал. В качестве примера можно сослаться на создание системы управления и контроля энергоблоком, при которой с визуального канала было снято, а на слуховой перенесено около 30% всей информации. Принятая структура позволяла синтезировать сообщения из слов, а ие морфем. Для синтеза речи использовался магнитный барабан с аналоговой записью на 40--45 дорожках.

Предложена также система анализа речи, основанная на измерениях временных параметров волн. Этот метод анализа может рассматриваться как альтернатива наиболее общему методу исследования акустической структуры речи, основанному на анализе частот. При этом выход системы представляет собой множество сигналов, приемлемых для управления синтезатором формант, что в некоторых случаях дает преимущество над системами, основанными на частотном анализе.

Специальные исследования ввода речи показывают, что при автоматическом распознавании речи существенные трудности возникают при переходе от отдельных слов к непрерывной речи, где в противоположность читаемому материалу границы слов не определены. Но, с другой стороны, проговариваемый материал содержит некоторые слоги или слова, которые имеют большую «важность», более нагружены, чем другие. Тогда проблема заключается в том, чтобы обнаружить объективные корреляты важности и определить, где эти корреляты могут быть использованы для фиксации границы фразы или слова и для выделения более «нагруженных» слов.

Таким образом, при синтезе речи необходимо знать основные правила определения «нагруженности» в естественной речи и учитывать их влияние на фундаментальную частоту употребления предложения. Есть основания полагать, что ввод будет зависеть и от индивидуальных качеств оператора.

Критичными по отношению к гибкому автоматическому распознаванию речи, особенно для каждого случая опознавания естественной речи различных дикторов, являются вопросы артикуляционной фонетики. Однако, если даже будет реализовано полное фонетическое распознавание, значительные трудности, связанные с переходом от фонетических к лексическим ограничениям, все равно сохранятся.

Несмотря на ряд очевидных практических результатов, полученных при исследовании речевого взаимодействия, речевой ввод в настоящее время все еще является предметом экспериментальных лабораторных исследований с очень ограниченными практическими выходами. Это объясняется не только относительно высокой стоимостью оборудования для реализации речевого ввода, но и недоработанностью целого ряда важных (для этой цели) теоретических вопросов. Отсутствие теоретических проработок приводит к тому, что исследования в области организации речевого взаимодействия человека с ЭВМ продвигаются очень медленно. В то же время ставится вообще под сомнение их целесообразность.

Имеются также данные [61], что режим взаимодействия пользователя с машиной на вербальном уровне наиболее благоприятен для рутинной работы, для проверки обдуманных и легко понимаемых идей и тактического решения задач. Однако более сложные «стратегические» решения могут потребовать другой организации взаимодействия. Таким образом, вопрос о том, необходим ли речевой уровень общения с ЭВМ, не может быть решен без проведения соответствующих экспериментальных исследований.

Основная трудность на пути прогресса в автоматическом распознавании речи связана с необходимостью автоматизации двух главнейших способностей человека--слухового восприятия речи и понимания смысла. Уровень наших знаний пока не позволяет с достаточной степенью универсальности определить машинные процедуры, способные дублировать поразительные способности человека. На всех уровнях речевого ввода существует много нерешенных проблем. В частности, возникает вопрос, какие приемлемые характеристики речи могут быть взяты за основу. Обычно для характеристики речи используются данные, показывающие распределение энергии сигнала по различным частотам в зависимости от времени. Однако этот подход, как правило, ориентирован на конкретного диктора и мо-жет использоваться для очень ограниченного числа команд голосом. Правда, предложен способ, позволяющий расширить рамки применимости обсуждаемого метода. Смысл его состоит в разработке средств для быстрой смены «шаблонов» применительно к новому диктору. Однако сегментация речи существенно ограничивает эффективность этого устройства. Так, для отдельных испытуемых удалось получить достаточно высокий уровень точности (89--96%) при словаре, состоящем всего лишь из 20 слов.

С развитием вычислительной техники исследования по речевому взаимодействию, по-видимому, приобретут более широкий размах. Однако можно утверждать, что системы с развитым словарем в 70-х годах не будут оснащены речевым вводом.

Второй аспект исследования касается теоретико-познавательного анализа интегрального человеко-машинного интеллекта и связанных с ним проблем развития как человеческого мышления, так и машинного (искусственного) интеллекта. Работы этого направления выходят за рамки собственно инженерно-психологических исследований, но тем не менее тесно связаны с ними и в ряде случаев могут влиять на постановку их и решение. Эта связанность проявляется в нескольких направлениях. Теоретические работы по искусственному интеллекту неотделимы от исследований процессов принятия решений оператором и в этом отношении непосредственно затрагивают целый ряд инженерно-психологических вопросов, связанных с созданием АСУ.

Технический прогресс привел к созданию человеко-технических систем, включающих искусственный интеллект, например систем космического назначения и систем для глубоководных исследований. Включение в состав этих систем искусственного интеллекта оказывает значительное влияние на все фазы проектирования деятельности, изменяя не только позицию человека в системе, но и его функции, и даже сказывается на организации сопряжения оператора с аппаратурой. Наконец, проблема искусственного интеллекта теснейшим образом связана с проблемой организации взаимодействия человека и ЭВМ, так как, по справедливому замечанию Г. Л. Смоляна, высший уровень машинного интеллекта, по-видимому, может быть достигнут на основе взаимодействия с человеческим интеллектом путем создания человеко-машинных систем.

Насколько можно судить по литературе, решение проблемы искусственного интеллекта шло по следующим 'направлениям: разработка программ для некоторого класса задач, программ для игр, в частности в шашки и шахматы, для доказательства математических теорем, для преобразования символических выражений из одной системы в другую. В ходе разработки этих программ были предприняты попытки создания искусственного интеллекта с той же степенью гибкости, что и у разума человека. Доминирующей темой в проблеме искусственного интеллекта является решение задач посредством эвристически направляемого метода проб и ошибок в пространстве возможных решений, хотя, как замечает Н. Нильсон, в последнее время исследования в области искусственного интеллекта в США в какой- то степени отошли от эвристического поиска. Нильсон объясняет это обстоятельство двумя причинами. Во-первых, методика эвристического поиска уже доведена до такого уровня развития, при котором дальнейшее изучение поиска едва ли может фундаментально повысить его эффективность. Еще более важная причина состоит в том, что обобщенные процессы поиска, взятые сами по себе, как правило, недостаточны для решения по-настоящему сложных задач. В настоящее время исследования начинают концентрироваться на том, как представлять знания об окружающем мире в программах для ЭВМ и как ими пользоваться.

Приведенные в пособии материалы представляют лишь первоначальную оценку инженерно-психологических проблем взаимодействия человека с ЭВМ применительно к АСУ различного назначения. Исследования по этим проблемам еще слишком немногочисленны и разноплановы, чтобы дать научно обоснованное их решение в целом. Мы находимся на этапе поиска путей и подходов к такому решению. В практическом отношении сейчас наиболее проработанными являются вопросы рационализации и проектирования технических средств взаимодействия человека с ЭВМ -- средств ввода и вывода информации систем отображения и пультов управления.

§ 12. ИНЖЕНЕРНО-ПСИХОЛОГИЧЕСКОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ОЦЕНКА УСТРОЙСТВ ВЫВОДА ИНФОРМАЦИИ ИЗ ЭВМ

Усовершенствование форм взаимодействия между человеком и ЭВМ в настоящее время связывается, в частности, с рационализацией средств ввода и вывода информации, особенно видеотерминалов, или дисплеев. Необходимость самых широких исследований в этом направлении диктуется, во-первых, тем, что электромеханические узлы, применяемые в большинстве внешних устройств, не могут достичь скорости функционирования, совместимой со скоростью электронных схем центрального процессора, и это является одной из причин недостаточно интенсивной загрузки ЭВМ и невысокой эффективности ее эксплуатации. Во-вторых, рост парка ЭВМ, способных работать в режиме разделения времени, и развитие средств коммуникации выдвигают также проблему создания устройства ввода -- вывода данных (видеотерминалов), способных легко подключаться к каналам связи для установления контакта с ЭВМ и работы в режиме диалога «человек--ЭВМ». В третьих, создание специализированных ЭВМ, предназначенных для управления конкретным объектом, требует применения специальных видеотерминалов, выступающих, как правило, в качестве основного индикационного средства для оператора.

В связи с указанными обстоятельствами возникает и настоятельная необходимость в инженерно-психологическом проектировании и инженерно-психологической оценке этих средств. Об актуальности таких исследований можно судить по чрезвычайно высоким темпам роста выпуска видеотерминалов.

Известно, что впервые 'видеотерминал был создан в Массачусетском технологическом институте в 1951 г. для работы в комплексе с ЭВМ. По оценкам американских специалистов в 1975 г. только в США количество используемых для гражданских целей видеотерминалов превысило 300 000, а доля их стоимости составила не менее 13% от общей стоимости вычислительного оборудования. К 1980 г. число видеотерминалов достигнет 2,5 млн.

Однако возрастание актуальности инженерно-психологических исследований объясняется не только резким количественным ростом числа терминальных устройств. Как известно, до недавнего времени большинство видеотерминалов являлось модификацией устройств, разработанных для других целей. Определенные результаты, достигнутые к настоящему времени в развитии методов печати, клавиатур и особенно в создании недорогих устройств памяти и логики, обеспечили возможность создания терминалов, ориентированных на непосредственного пользователя. В связи с этим происходит и смещение акцентов в организации взаимодействия. Если ранее перед инженерным психологом вопрос ставился в основном в форме: «Как наилучшим образом организовать взаимодействие при использовании данного оборудования?», то в настоящее время более типичным стал вопрос: «Каковы специфические требования со стороны пользователя, накладываемые на терминал при решении заданного класса задач?». Таким образом, и в области создания видеотерминалов наблюдаются тенденции перехода от этапа инженерно-психологического корректирования к этапу инженерно-психологического проектирования. К сожалению, большинство авторов работ по терминалам ограничиваются рассмотрением и анализом технических возможностей и характеристик видеотерминалов и только самой общей оценкой возможностей и требований пользователя.

В настоящее время самое большое распространение получили экранные пульты на электорнно-лучевых трубках <в качестве средств отображения информации с клавиатурой в качестве средства ввода информации. Известно, что по характеру информации существующие СОИ видеотерминалов- делятся на две группы: алфавитно-цифровые, служащие для ввода и отображения текстовой информации, и графические, с помощью которых наряду с текстовой информацией можно отображать на экране графические данные -- чертежи, схемы, карты и т. д.

Чтобы проиллюстрировать возможности инженерно-психологического проектирования СОИ, рассмотрим решение некоторых задач, возникающих при разработке одного из наиболее перспективных средств отображения информации--индикатора с предсказанием, являющегося разновидностью графических СОИ. При использовании такого индикатора осуществляется непосредственное взаимодействие человека с ЭВМ, в силу чего индикатор предсказания может быть отнесен к видеотерминалам. Индикаторы с предсказанием представляют оператору информацию о будущих значениях переменных параметров, находящихся под его управлением. Информация представляется с помощью специальной (обычно аналоговой) ЭВМ, работающей в ускоренном масштабе времени, которая контролирует значения переменных в текущий момент и предсказывает их на некоторый отрезок времени вперед.

Лабораторные исследования показывают, что индикаторы с предсказанием имеют ряд потенциальных преимуществ по сравнению с обычно применяемыми СОИ. В частности, применение индикаторов с предсказанием позволяет:

-- резко сократить время обучения оператора. По некоторым данным, время обучения управлению сложными динамическими объектами может быть сведено до минут;

-- повысить эффективность выполнения человеком-оператором терминальных задач;

-- приблизить управление, осуществляемое человеком-оператором, к оптимальному в смысле некоторого специфического критерия деятельности, обычно понимаемого как взвешенная сумма среднеквадратичных ошибок и управления;

-- улучшить управление системами с существенными нелинейностями или системами с большими транспортными задержками;

-- уменьшить требования к скорости обработки информации человеком-оператором, особенно для многомерных задач управления.

Весьма наглядно преимущества индикаторов с предсказанием были продемонстрированы в исследованиях, проведенных фирмой Хаджес Эйркрафт. Эти исследования показали, что, решая задачу управления пространственным положением космического летательного аппарата (ЛА), космонавты, использовавшие индикатор с предсказанием, не только значительно точнее компенсировали отклонения ЛА от заданного положения, вызванные различными возмущениями, но и допустили существенно меньший расход топлива. Данные этого исследования приводятся в табл. 2.

Несмотря на вышесказанное, индикаторы с предсказанием почти не используются. В определенной мере это обстоятельство может быть объяснено их большой технической сложностью. Но наиболее вероятным объяснением все же представляется отсутствие основных инженерно-психологических данных о преимуществах и ограничениях индикаторов. Следовательно, задача инженерно-психологического проектирования подобных средств отображения информации весьма актуальна.

Рассмотрим один из частных, но весьма важных вопросов инженерно-психологического проектирования индикаторов с предсказанием: определение оптимального значения времени предвидения, Т_ОПТ. От решения этого вопроса зависят адекватный выбор объема кратковременной и долговременной памяти вычислителя, масштаба индикатора, быстродействия машины и ряда других технических параметров и, конечно, характеристики деятельности оператора.

Для исследования была разработана математическая модель деятельности человека-оператора в режиме слежения с предвидением, которая в общем виде может быть записана таким образом:

где U(t_o + k) --управляющее воздействие оператора в момент t_o + k; А, В, С -- матричные коэффициенты, входящие в уравнения системы управления; Q, R -- коэффициент «веса», т. е. оценки важности ошибки и управления, назначаемые оператором; е -- ошибка сложения; е^{А[ ]} -- матричный экспотенциал; «'» -- знак транспонирования.

Использование этой математической модели деятельности позволило рассчитать (вполне объективно) значение времени предвидения, которое необходимо реализовать в индикаторе с предсказанием для различных по сложности объектов управления. (Подробнее об этом см. [1], с. 425--433).

§ 13. ИНЖЕНЕРНО-ПСИХОЛОГИЧЕСКОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ОЦЕНКА УСТРОЙСТВ ВВОДА ИНФОРМАЦИИ В ЭВМ

Проблема быстрого ввода данных в ЭВМ считается одной из наиболее сложных не только в производстве ЭВМ, но и с инженерно-психологической точки зрения. По некоторым оценкам, в настоящее время свыше 85% всей информации вводится в ЭВМ с помощью перфокарт и перфоленты. К 1980 г. на долю последних придется лишь 10% вводимой информации; примерно 40% ее будет вводиться через системы непосредственного сбора данных на магнитную ленту, 30%--через консольные клавишные устройства с визуальным отображением информации и 20%--через аппаратуру оптического считывания. В связи с этим широкое внедрение ЭВМ необходимо связывается с инженерно-психологическими исследованиями по организации устройств ввода информации, особенно клавишных устройств.

Вопрос этот стоит чрезвычайно остро. Можно согласиться с американским исследователем Г. Сакманом в том, что при организации устройств ввода сталкиваешься с вакуумом в экспериментальной сфере. Здесь, как ни в какой другой области взаимодействия человека с ЭВМ, технические нововведения и непроверенные реализации «забивают» экспериментальную оценку во всех отношениях.

Несмотря на то, что число работ, посвященных устройствам ввода информации в ЭВМ, значимо возросло, большинство их носит слишком общий, а иногда и противоречивый характер. Рассмотрим некоторые из последних исследований клавиатурных вводов. Э. Клеммер сравнивал конструктивные решения клавиатур со звуковой й визуальной обратной связью. По его данным, нетренированные операторы работают в 3 раза медленнее и делают в 10 раз больше ошибок, чем тренированные. В короткие периоды опытные операторы могут достичь скорости порядка 5 и более ударов в секунду. (Здесь необходимо отметить, что, по более ранним данным, в тех случаях, когда оператор не слишком часто обращается к клавиатуре, скорость обычно составляет 1--1,5 уд./с). На основе анализа исследований по клавиатурам Д. Элден и Р. Даниелс установили основные переменные, которые влияют иа действия оператора с клавиатурами: это характеристики оператора, выполняемые им задачи, конструктивные характеристики клавиатур и факторы окружающей среды. Важное значение имеет констатация того факта, что включение дополнительных переменных, таких как вид ввода (буквенный по сравнению с буквенно-цифровым или цифровым), измеряемые показатели эффективности деятельности (скорость или точность, скорость+точность), увеличивает число еще далеко «е изученных вопросов.

Значительное число исследований касается влияния формы представления входного сигнала. Здесь можно выделить такие переменные, как число альтернативных входных сигналов, число сигналов одной модальности, число модальностей, вероятностная и временная структуры входного сигнала, используемая категория кода. Так, рассмотрение различных группировок цифр для ввода их с помощью клавиатур показало, что группирование не влияет на точность, но скорость при использовании групп из 3 или 4 цифр оказывается выше.

Интересны результаты исследований по изучению факторов кодирования текста. В одном из них изучалось влияние длины и типа слов (реальные слова, бессмысленные слова) на точность и вероятность опознания ошибок тренированными и начинающими операторами. Как и ожидалось, обучающиеся операторы сделали значительно больше ошибок при вводе всех типов слов любой длины. Более того, при всех условиях квалифицированные операторы опознали большее число ошибок. В обеих группах число ошибок увеличивалось и вероятность опознания ошибки уменьшалась с увеличением длины слова. Бессмысленная (для оператора) информация на входе увеличивает время ответа.

В другом исследовании рассматривались вопросы группировки сигналов и ответов квалифицированными операторами. Было показано, что скорость ввода снижается, если следующее сообщение не отображено полностью на индикаторе. Напротив, скорость повышается, если сообщение отображается полностью до момента его входа. Были также получены данные о влиянии на деятельность оператора наряду с другими факторами и совместимости ответных комбинаций между собой.

В третьем исследовании изучался вопрос о влиянии временного группирования произносимых цифр на ввод информации посредством клавиатуры. Каждый испытуемый должен был набрать последовательность из 12 цифровых сообщений. Набор начинался одновременно с началом произношения последовательности. Цифры в соотношении либо проговаривались по отдельности, либо составлялись в три группы по 4 цифры в каждой, с паузами для обоих случаев. Эффективность деятельности оказывалась выше для случая группировки цифр. Это можно объяснить тем, что емкость памяти в таком случае значительнее.

Проблема выбора критерия (показателя) оценки различных клавишных устройств стоит не менее остро, чем проблема выбора критериев оценки средств отображения. В публикациях приводятся данные о том, что в одних случаях наиболее представительной оценкой является скорость, в других -- точность. Следует отметить, что испытуемые с низкой скоростью имеют тенденцию делать большее число ошибок. Есть основания полагать, что при отсутствии непосредственной установки на скорость или точность операторы устанавливают более высокие требования к точности, а не к скорости. Эти результаты особенно важны для выбора критериев сложности решения оперативных задач с опорой на разные варианты СОИ.

Многие исследователи значительное внимание уделяют вопросу о влиянии обратной связи на процесс работы с клавиатурами ввода информации в ЭВМ. Можно считать установленным, что зрительная и кинестетическая обратные связи играют значительную роль в процессе обучения, а слуховая обратная связь мало сказывается на скорости и точности работы. Самостоятельное выявление человеком своих ошибок преимущественно основывается на кинестезии, причем имеются данные, что обычно 70% ошибок человек выявляет сам.

Обобщение ряда литературных данных позволяет сделать заключение о незначительном влиянии всех видов обратной связи, кроме кинестетической, в процессе профессиональной деятельности. Эти результаты ставят под сомнение довольно распространенное утверждение о том, что надежность ввода информации может быть увеличена введением дополнительного контроля вводимой информации по зрительному или слуховому каналу.

Заметное влияние на характеристики деятельности оказывает расположение клавиш в клавиатурах. Для ввода цифровой информации, по некоторым данным, считается наилучшим размещение клавиш (кнопок) ЗХЗ+1 с началом цифрового ряда сверху, однако имеются и другие рекомендации. Так, при анализе ошибок оператора, работающего на широко распространенной в АСУ ТП клавиатуре УРИ-2М, на которой цифровой ряд начинается снизу, и оператора, работающего на устройстве ВА-345П, в котором клавиши для ввода цифровой информации располагаются по схеме 1X10, т. е. в одном горизонтальном ряду (с возрастанием слева направо), лучшей оказалась клавиатура УРИ-2М. Считается, что для общего усвоения принципов работы на устройствах регистрации, используемых в АСУ ТП, достаточно 4--5 занятий по 2--3 часа. Для приобретения навыков, обеспечивающих скорость регистрации, равную 1,5 зн./с, необходимо отпечатать в процессе обучения 200-- 300 тыс. знаков.

В исследовании, проведенном Федеральным авиационным агентством США, сравнивались две экспериментальные 16-клавишные клавиатуры, предназначенные для ввода одной рукой. Одна из клавиатур имела расположение цифровых клавиш ЗХЗ+1 с цифровым рядом, начинающимся снизу, а другая -- с цифровым рядом, начинающимся сверху. Испытуемыми были диспетчеры УВД. Стимульный материал представлял формуляр, составленный из случайных цифр, букв, символических и условных идентификаторов самолета (две случайные буквы и три случайных числа). Деятельность на клавиатурах с началом цифровых и буквенных рядов сверху оказалась эффективнее как при буквенно-цифровых, так и при чисто буквенных вводах. Однако не было установлено статистически значимых различий при вводе только цифровой информации.

Устройства ввода (клавиатуры) в настоящее время остаются одним из самых консервативных модулей ЭВМ, если оценивать их в параметрах скорости, цены и размера. В то время как для других модулей резко возрастает скорость наряду с не менее резким уменьшением в цене и размере, для клавиатур эти параметры осталась почти неизменными с 1955 по 1974 г.

Основную часть стоимости систем обработки данных составляет стоимость труда по вводу данных. Надо сказать, что этот факт не остался без внимания исследователей. Был предложен ряд технических усовершенствований, в частности, использовалась автоматизация отдельных операций ввода, благодаря которой при воздействии на одну клавишу автоматически вводятся определенные форманты. Несколько исследований в этом плане было проведено и инженерными психологами. В частности, было предложено использовать в качестве устройств ввода буквенно-цифровой информации известные клавишные устройства, внося определенные конструктивные изменения. В ряде работ рассматривается возможность использования для такого рода устройств клавиатуры телефонного типа (ЗХЗ+1 --с цифровым рядом сверху). Например, Л. С. Крамер в лабораторном и полевом экспериментах проверял возможность использования телефонных клавиатур как устройств ввода в ЭВМ при двух расположениях клавиш. В одном варианте вводились две дополнительные клавиши, играющие роль регистров, посредством которых осуществлялся выбор соответствующей буквы. Например, воздействие на правую клавишу соответствовало выбору правой буквы на клавише ввода. В другом варианте число нажимов на клавишу соответствовало выбираемой букве. Первое расположение оказалось эффективнее.

В качестве устройства ввода информации в ЭВМ часто используют клавиатуру пишущих машинок. В настоящее время в США рекомендована к применению стандартная клавиатура пишущих машинок -- так называемая клавиатура QWERTY. Кроме того, было разработано несколько альтернативных аранжировок и конструкций. Еще в 1936 г. Дворок предложил так называемую «упрощенную» клавиатуру (УК). Клавиши на этой клавиатуре размещаются в соответствии с частотой появления букв в английском языке. Сравнительные исследования QWERTY и УК показали определенные преимущества клавиатуры QWERTY, в связи с чем УК не .получили широкого распространения. Однако в последнее время вновь возник интерес к УК. Предполагалось, что эта клавиатура имеет преимущества в легкости обучения, точности, большей скорости ввода. Поэтому в последнее время начаты серьезные исследования упрощенных клавиатур. Получены положительные результаты при использовании УК в нескольких типовых программах обучения подростков и программистов ЭВМ.

Известен и другой подход к организации клавиатур, при котором за основу берутся биомеханические аспекты. Экспериментальные результаты позволили западногерманскому ученому К. Кромеру вывести следующие конструктивные принципы: 1) клавиши следует располагать по форме расположения пальцев на руке, чтобы упростить движение пальцев; 2) секции клавиатуры, предназначенные для каждой руки, необходимо пространственно разнести, что будет способствовать привязке пальцев к определенной позиции; 3) клавиатурные секции для каждой руки должны быть расположены со значительным боковым наклоном, что уменьшит мышечное напряжение. На основе этих принципов разработана так называемая К-клавиатура, эффективность которой, по данным автора, выше, чем у общепринятых клавиатур.

Другой возможной альтернативой может явиться организация клавиатур, в которой клавиши размещаются в алфавитной последовательности. По аналогии с QWERTy обозначим эту клавиатуру ABCDE. Э. Клеммер в своем обзоре отметил, что этот тип клавиатур хуже обычных QWERTY. Однако другие исследователи пришли к иному выводу. Так, Р. Хирш сравнивал характеристики деятельности операторов (непрофессиональных машинисток) при работе на QWERTY и на ABCDE. Испытуемые печатали знакомый материал (свои имена, адреса и т. д.) при акценте в инструкциях на точность. Результаты свидетельствовали об определенном преимуществе клавиатуры ABCDE. К сходным выводам пришел и С. Е. Майке. Он проанализировал работу 30 испытуемых разной квалификации. Половина группы работала на одном из типов клавиатуры, затем переходила на другой тип. Безотносительно к начальному уровню обучен<ности испытуемые показали более высокую скорость при использовании ABCDE-клавиатуры.

В рассмотренных исследованиях технические усовершенствования касались в основном принципов расположения клавиш и не затрагивали собственно структуру клавиатур. Однако, по словам П. Холдена, как раз структура клавиатуры может оказать наибольшее влияние на работу АСУ.

Основываясь на ряде экспериментальных исследований, в которых были выявлены конкретные причины инженерно-психологического несоответствия устройств ввода информации требованиям пользователя, П. Холден предлагает следующие принципы их конструирования: минимум новых навыков; небольшой размер и эргономическая приемлемость; отсутствие сложных входных последовательностей; автоматизация навыка и максимальная концентрация внимания на средствах отображения данных; минимальное число операций и естественность их выполнения. Большинству этих требований удовлетворяют так называемые полуфункциональные, или аккордные, клавиатуры. Не случайно, по-видимому, большинство исследователей проблемы ввода информации в ЭВМ (Т. Элден, Р. Даниэле, А. Ча-панис, К. Грине ,и др.) обращают внимание на необходимость самого широкого использования полуфункциональных клавиатур; это заключение вытекает из анализа многочисленных теоретических и экспериментальных данных, подтверждающих гипотезу о том, что клавиатуры, в которых минимизирована амплитуда достигающих движений, позволяют осуществлять самый 'быстрый ввод информации.

На инженерно-психологических вопросах организации полифункциональных клавиатур следует остановиться специально, поскольку они имеют немалое практическое значение.

Рассмотрим такой вид практической деятельности пользователя, когда его основная задача состоит в том, чтобы принять информацию, перекодировать ее с помощью специальных средств, например клавишных панелей, ввести в ЭВМ. В этом случае основные усилия при разработке клавиатур должны быть направлены, в частности, на достижение максимальной пропускной способности пользователя при минимальном уровне его ошибок.

Нетрудно заметить определенную идейную общность указанной задачи с основными проблемами теории оптимального кодирования, рассматриваемой в классической теории информации. Действительно, в терминах теории информации данная деятельность оператора сводится к вводу в управляемый объект той или иной последовательности информационных сообщений из совокупности, предусмотренной конструкцией пульта. При этом количество информации, вводимое оператором, пропорционально средней информативности символов и общей длине сообщения, которое он способен реализовать за рассмотренный отрезок времени:

где т -- число символов сообщения; х_j -- алфавит сообщений; Р(х_j) -- вероятность появления символа в сообщениях. Эти параметры и должны быть приняты за основу при изыскании путей оптимизации клавишных панелей.

Очевидно, что на заданном фиксированном отрезке времени Т при известных средних затратах времени на любой символ вводимого сообщения ?t_cp можно реализовать сообщение со средним числом символов

Расчетное значение m_cp получается из (2) округлением до ближайшего меньшего целого числа.

Таким образом, задача разбивается на две части: первая часть связана с обоснованием алфавита, который в каждом конкретном случае достаточен и действительно необходим; вторая часть сводится к получению величин средних затрат времени оператора на один символ вводимого сообщения в зависимости от структуры и конструктивного оформления клавишной панели при сохранении заданного объема алфавита сообщений.

При анализе первого вопроса воспользуемся результатами известной в теории информации основной теории кодирования, утверждающей, что при заданном ансамбле U (Uu U₂.-., U_m) из М сообщений с энтропией Н (U) и алфавитом, состоящим из D символов, можно так закодировать сообщения ансамбля посредством последовательностей символов из заданного алфавита, чтобы среднее число символов на сообщение т_ср удовлетворяло неравенству

причем m_ср не может быть меньше, чем нижняя граница в выражении (3). Из формул (3) и (2) находим

Неравенство (4) определяет необходимый и достаточный объем алфавита, который должен быть заложен в клавишную память с тем, чтобы оператор при средних временных затратах на один символ был способен за время Т реализовать любое сообщение из ансамбля U с энтропией H(U).

Перейдем теперь ко второму вопросу. Если рассчитываемый по выражению (4) объем алфавита оказывается большим, то возникают значительные трудности при практической реализации клавишных панелей.

В настоящее время одним из основных принципов организации клавишных панелей является так называемый «раздельный» принцип, когда каждый символ возможного сообщения (реже два или три символа) вводится посредством специально предусмотренной клавиши. Типичными представителями такого рода организации панелей являются клавиатуры пишущих машинок, некоторые вводные устройства в электронных вычислительных машинах и т. д. Клавиатуры с подобной организацией определим как монофункциональные. Ясно, что возникает вопрос о габаритах панелей для монофункциональных клавиатур сложных эргатических систем, алфавит которых содержит десятки и сотни символов. При этом проблема отнюдь не исчерпывается трудностями размещения многоклавишных панелей и получением приемлемых весовых характеристик пультов, хотя и эти соображения могут оказаться решающими, например, для летательных аппаратов, подводных лодок и подобных объектов.

От выбора габаритов клавишных панелей при определенных условиях начинает непосредственно зависеть пропускная способность операторов. Действительно, пусть п -- число клавиш. Если п достаточно велико, то ясно, что невозможно все клавиши разместить в оптимальной (по отношению ко времени двигательной реакции оператора) зоне пульта. В этих условиях, как показано в ряде работ, время, затрачиваемое оператором на ввод некоторого символа, оказывается зависящим и от размеров, и от размещения соответствующей ему клавиши относительно оптимальной зоны, а следовательно, и от амплитуды достигающих движений оператора. Количественная оценка рассматриваемой зависимости может быть получена на основе известной теоремы выборки Котельникова:

Здесь а и а₁ -- некоторые постоянные, а I_а -- индекс трудности движения, определенный по формуле

где A_j -- требуемая амплитуда движения для воздействия на j-ю клавишу; W/2 -- допустимый разброс движения с амплитудой А. Нетрудно видеть, что W/2 в нашем случае обозначает половину ширины клавиши. Отсюда ясно, что простейшей оценкой для Аt_cp, входящего в (2), может служить, например,

Более точные оценки можно получить с учетом статистических характеристик сообщений, предназначенных к реализации. При известной вероятности j-го символа в сообщениях P_j очевидно, что более достоверным приближением к временным затратам будет ?t_ср, подсчитанное как математическое ожидание ?t_j по соотношению

Из приведенных рассуждений следует, что стремление к увеличению длины сообщения, реализуемого оператором на данном отрезке времени, приводит к необходимости наиболее комлактного размещения клавиш в моторном поле. Это основное инженерно-психологическое требование к организации клавишных панелей.

В качестве возможного подхода, удовлетворяющего указанному требованию, было предложено использовать полифункциональные клавишные панели. Предполагается, что с помощью небольшого числа клавиш путем их возможного комбинирования можно ввести значительное число сообщений. Так, с помощью клавиатуры, составленной из п клавиш, применяя, например, двоичную систему исчисления, можно ввести от п до 2^п -- 1 символов. Естественно, что каждая клавиша в таком случае участвует во вводе 'нескольких символов.

В табл. 3 приведены результаты экспериментального исследования характеристик скорости и точности ввода информации оператором при использовании 24-клавишной и 10-клавишной функциональных панелей, предназначенных для ввода алфавита из 144 символов, и 64-клавишной монофункциональной панели для ввода алфавита из 64 символов.

При работе на 24-клавишной панели, состоящей из двух полупанелей по 12 клавиш, для ввода любого символа производили одновременный нажим двух клавиш -- по одной из каждой полупанели. Количество информации, приходящейся на стимул, рассчитывали по формуле

где С --число символов (144 или 64); Р -- вероятность правильного ответа. Для 24-клавишной и 64-клавишной панелей вероятность правильного ответа принималась всегда постоянной и равной Р = 0,98. Из приведенных в табл. 3 данных видно, что характеристики деятельности оператора оказались значительно лучше при использовании клавишных панелей, структурная организация которых была предложена в ходе инженерно-психологического проектирования.

§ 14. АНАЛИЗ И СИНТЕЗ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ СИСТЕМ ОТОБРАЖЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ

В инженерной психологии наметился переход от изучения отдельных средств отображения и ввода информации к попыткам создания обобщенной инженерно-психологической теории «сопряжения» оператора с аппаратурой. К настоящему времени достаточно четко вырисовалось несколько концепций анализа и синтеза средств отображения информации. Одна из них --структурно-психологическая концепция синтеза информационных моделей --сформулирована В. Ф. Вендой. Другая --концепция анализа средств отображения информации «а основе так называемого системно-лингвистического подхода --предложена А. Г. Чачко [68]. Проблема оптимизации СОИ здесь неразрывно связывается с построением целостной системы. Пренебрежение системным подходом приводит к тому, что конструируются щиты и пульты, перегруженные хаотически расположенными элементами, каждый из которых слабо сочетается с другими, а все вместе -- трудно «сопрягаются» и с людьми, и с машинами.

Основная посылка системно-лингвистической концепции состоит в том, что ключевым этапом проектирования СОИ является выбор языка взаимодействия человека с объектом управления. В силу этого в качестве первоочередных выступают задачи: определения набора знаков, оценки необходимости использования цвета, изменения яркости или акустических сигналов, выделения основных форм организации кодов и структуры. Методика, позволяющая выбрать язык взаимодействия, включает инженерно-психологические приемы и формализм математической лингвистики. Они помогают выработать правила иерархической организации кодов и структур, на основе которых формулируется порождающая грамматика языка взаимодействия. На основе этой грамматики и формируются типичные объединения структур -- гипертексты. Поскольку правила грамматики являются не предписаниями, а разрешениями, множество гипертекстов всегда оказывается большим, чем это необходимо операторам для принятия решений. Отсюда возникает задача выделения оптимального гипертекста для каждого решения. Решение этой задачи рассматривается как наиболее кропотливый этап проектирования СОИ. В основу его положена модель массового обслуживания, где обслуживающим «прибором» считается человек-оператор, а входящим потоком требований-- сигналы, поступающие от объекта и образующие информацию, составляющую гипертекст.

Взаимодействие оператор -- гипертекст описывается для каждого варианта. В описаниях выделяются повторяющиеся части -- вокрамы, которые рассматриваются как элементы решений.

Формальная процедура получения математической модели в рамках системно-лингвистической концепции выглядит следующим образом. Экспериментами установлено, что принятие человеком-оператором решений базируется на особом понимании объекта управления, на глубинной лингвистической структуре [68]. Конкретные решения получаются в результате ряда преобразований -- трансформаций от глубинной структуры к поверхностным продукциям.

Глубинная структура представляется в модели в виде семантической сети (СС). Каждый узел ОС является списком, состоящим из признаков и их значений. Некоторые из значений, признаков или узлов имеют отметки -- семантические валентности. СС--это граф, в котором отмеченные элементы связаны дугами по валентностям. Примеры смысловых связей: «является частью...», «осуществляется посредством...», «характеризуется.,.».

Сеть содержит описания технологических элементов («анатомии» объекта), сред и процессов («физиологии» объекта), износа и отказов («жизненного цикла» объекта). Названные узлы могут быть либо конкретными, либо обобщенными. Конкретные узлы описывают единичные элементы объекта; обобщенные узлы введены для многократно используемых описаний. Конкретный узел содержит лишь отличия, а общие свойства элемента задаются отсылками к обобщенным узлам и модификаторами.

Деятельность операторов разделяется на пять этапов. Наименования этапов приведены на рис. 6 в многоугольниках. Чтобы получить из СС поверхностные продукции, на каждом этапе используется свой математический формализм.

Для этапа наблюдения таким формализмом служит теория размытых (нечетких) множеств; соответствующий алгоритм вычисления функций членства формирует набор характеристических параметров. Модель сопоставляет образцовые значения параметров с текущими.

Этап оценки опасности отклонения основан на правилах, выявляющих резервное время и последствия его превышения (математический формализм -- передаточные функции объекта-- управления). Оценка опасности может повести к изменению цели управления.

На этапе выявления причин отклонения модель осуществляет поиск по смыслу «центра» и «периферии» технологической схемы, оценивает «роли» и «вклад» найденных элементов в отклонение. В результате из семантической сети порождается дерево оценки ситуации.

Идеальный процесс порождения дерева -- последовательная деабстрактизация от корня к конечным причинам; реальный процесс зависит от характеристик оператора. Порождение может начинаться с t-ro слоя идеального дерева и выявлять лишь часть причин t-гo и последующих слоев. С процессом порождения сопряжен процесс подбора и переоценки оператором информации. Последний состоит из двух процессов.

Подпроцесс 1 -- выход на слой дерева -- описывается стохастической цепью

где P(t) -- вектор вероятностей уровней для момента t; P(t--1) -- то же для момента t--1; Q(t-- 1)--«нестационарная матрица перехода.

Подпроцесс 2 -- выбор причины в слое -- содержит два этапа: 1. Выбор наиболее информативных источников. Основан на максимизации средневзвешенной полезности:

Таким образом, этап выявления причин отклонения основав на объединении двух математических формализмов -- порождающей семантики и теории статистических решений.

После выявления причины отклонения переходят к этапу планирования корректирующих действий. Причина оказывается корнем дерева планов, которое также порождается на основе семантической сети. Правила порождения сформулированы в терминах целей, средств и ограничений. Процессы порождения аналогичны описанным.

Наконец, для этапа реализации планов характерными являются правила, устанавливающие однозначное соответствие между командами и стандартными подалгоритмами управления---вокрамами. Привлекая соответствующие вокрамы, изменяют состояние объекта, что приводит к новым настройкам семантической сети, т. е. цикл завершается.

Трансформационная модель применена для описания деятельности оператора блока котел -- турбина -- генератор мощностью 300 мВт. С ее помощью синтезирована оптимальная система отображения информации для оператора.

Описанная модель является типичным примером так называемых комбинированных моделей. В комбинированных моделях различные математические формализмы как бы располагаются в одной плоскости и соединяются друг с другом встык. Если бы вместо наружного соединения удалось построить модель, в которой формализмы взаимно проникают друг в друга, сплавляются в единую математическую структуру, получился бы гораздо более эффективный аппарат для математического моделирования деятельности.

В настоящее время имеются отдельные попытки построения таких гибридных структур. В частности, найдены связи между теоретико-информационными формализмами и формализмами оптимального управления, реализован теоретико-информационный подход к задачам статистических решений, осуществлено наложение модели статистической теории принятия решений на один из процессов массового обслуживания, изучено оптимальное управление широким классом систем массового обслуживания, основанное на принципе максимума Л. С. Понтрягина. К сожалению, до сих пор предложенные экспериментальные методики выбора гипертекстов используются еще очень мало.

Подход к построению средств отображения, сформулированный Б. Б. Гурфинкелем, также основан на представлении о системе в целом. При этом под системой (понимается не только система управления (т. е. центр управления с линиями связи), но также и сенсорный аппарат, исполнительный (эффекторный) аппарат воздействующий на среду, и аппарат метаболизма, обеспечивающий снабжение системы материалами и энергией. Единство, определенное таким образом, рассматривается как система деятельности, а центр управления -- как «процессор».

СОИ трактуются как составная часть процессора, что позволяет высказать определенные положения относительно организации информационных моделей на различных иерархических уровнях. Однако собственно психологическая специфика деятельности оператора здесь почти не учитывается.

Значительные потенциальные возможности повышения эффективности функционирования человека-оператора могут быть реализованы посредством структурирования информации на многокомпонентных СОИ. Этот подход позволяет управлять стратегией восприятия.

Б. Ф. Ломов предлагает <при создании СОИ использовать в качестве методов управления стратегией восприятия художественно-композиционные средства, ритмические ряды, акценты, структурирование ситуаций. Развивая эти идеи, А. А. Митькин подчеркивает, что имеются возможности оптимизировать условия деятельности человека-оператора, если правильно определить для наиболее важных наблюдений и в зависимости от особенностей информации, которая должна быть передана, ту или иную форму СОИ. Для каждой формы СОИ характерно: а) специфическое распределение точек фиксации, т. е. наличие более или менее обозреваемых зон, образующих определенную пространственную структуру; б) специфическое преобладание первых поисковых движений глаз; в) преобладание тех или иных направлений и маршрутов обзора, что обусловлено взаимодействием двух факторов: особенностями формы и психофизиологией зрения. При этом оказалось, что весьма эффективным является применение средств композиции с целью организации определенной последовательности обзора.

Заслуживает внимания и мысль о том, что относительная различимость объектов (степень различения по какому-либо признаку) может явиться фактором, позволяющим управлять вниманием человека-оператора и детерминировать маршруты зрительного восприятия. Так, экспериментально сравнивались процессы решения оперативных задач по обычной мнемосхеме теплоэнергетического объекта и по мнемосхеме с последовательным выделением (высвечиванием) контуров, связанных с этапами решения оперативных задач при ликвидации нарушений. Зрительное выделение контуров служило средством управления вниманием операторов. Результаты показывают, что в последнем случае существенно улучшились показатели эффективности решения по сравнению с обычной мнемосхемой. В отдельных случаях время решения задачи сокращалось в 7--8 раз, почти полностью исчезали ошибки, особенно связанные с предупреждением последующих отклонений. Можно предположить, что выделение контуров служит одним из эффективных средств снижения субъективной сложности решаемых задач.

В плане структурирования информации весьма важной представляется разработка принципов обобщения и снижения доли информации, не относящейся в данный момент к оперативной задаче. Так, например, В. Ф. Венда и В. А. Вавилов экспериментально исследовали два таких принципа: 1) принцип разделения информации разной степени обобщенности в пространстве (внешние связи в центре, подробные схемы на периферии); 2) принцип разделения информации тю времени: в нормальном состоянии внутренние схемы не отображаются, а при аварийных нарушениях режима энергосистемы обобщенные схемы частично детализируются в зависимости от характера нарушений. Согласно полученным результатам, использование последнего принципа предпочтительнее.

Принципы организации многокомпонентных СОИ разрабатывались практически с момента зарождения инженерно-психологических исследований и описаны в многочисленных справочных руководствах. Однако до сих пор не удалось избежать некоторой противоречивости при их практическом использовании.

Р. Голдбек и Р. Фаулер приводят оценки деятельности при четырех принципах расположения приборов на панели пульта: 1) с учетом последовательности использования; 2) по функциональному признаку; 3) то частоте использования; 4) по значимости для выполнения задания. Результаты показывают, что при варианте 1 характеристики деятельности лучше как для дискретной, так и для непрерывной задач. Вариант 2 также способствует улучшению характеристик деятельности, но в значительно меньшей степени, чем первый. Расположение приборов по принципам 3 и 4 оказалось неэффективным.

Указанные противоречия свидетельствуют о настоятельной необходимости поиска методик исследования и организации многокомпонентных СОИ. К настоящему времени уже предложено несколько таких методик. В той или иной мере все они основаны на идее упорядочивания элементов на панели.

Одной из них является методика, известная под названием «Анализ звеньев». Основная цель ее -- наиболее эффективное I размещение средств индикации и органов управления в пределах заданной рабочей зоны. Термин «звено» относится к связи человека с конкретным оборудованием. При планировании размещения оборудования на схему наносятся линии, отражающие частоту ,и (или) важность связей между элементами, а размещение считается лучшим в том случае, когда число пересекающихся линий минимально.

Понятно, что эта методика предполагает наличие проекта панели и точных сведений о рабочих операциях. При осуществлении анализа звеньев по чертежам последовательность процедур в соответствии с алгоритмом деятельности рассчитывается и изображается графически в виде линий, соединяющих каждый орган управления и индикаторы в той последовательности, в которой они используются. Высокая концентрация связей для некоторых элементов указывает на необходимость привлечения к ним более пристального внимания. Конечно, данная методика не может претендовать на систематичность и методическую строгость, а рассматривается скорее как основа для предварительных решений по компоновке многокомпонентных СОИ.