ГРАФИЧЕСКИЙ ИНТЕРФЕЙС ОПЕРАТОРА. Учебное пособие для студентов специальности 220301 Москва 2011 2 Содержание
 Скачать 2.77 Mb.
|
|
1 ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНДУСТРИАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНСТИТУТ ДИСТАНЦИОННОГО ОБРАЗОВАНИЯ Б.В.Кириличев ГРАФИЧЕСКИЙ ИНТЕРФЕЙС ОПЕРАТОРА Учебное пособие для студентов специальности 220301 Москва 2011 2 Содержание Введение…………………………………………………………………………. 5 Глава 1. Системы управления с человеком ………………………………….....7 1.1. Человек-оператор в системах управления………………………………….8 1.2. Системы ручного управления…………………………………………….....8 1.3. Системы автоматизированного управления………………………………11 1.4. Проблемы эргономического подхода к проектированию систем с человеком-оператором………………………………………………..13 1.5. Упрощенная передаточная функция человека-оператора в режиме компенсаторного слежения……………………………………………………..13 1.6. Реакции человека-оператора……………………………………………….14 1.7. Структура модели деятельности человека-оператора..…………………..15 1.8. Безошибочность работы человека-оператора и его влияние на точность системы управления………….………………...………………………………..16 1.9. Надежность человека-оператора…………………………………………...17 1.10. Работоспособность человека-оператора…………………………………18 1.11. Помехоустойчивость человека-оператора……………………………….19 1.12. Оптимальная зона условий работоспособности человека-оператора….19 Глава 2. Анализаторы человека………………………………………………...20 2.1. Характеристики анализаторов..…………………………………………….20 2.2. Зрительный анализатор человека и его свойства…………………………21 2.3. Мнимые эффекты зрения…………………………………………………...28 2.4. Звуковой анализатор человека…………………………………………….34 2.5. Закон Вебера-Фехнера……………………………………………………...35 Глава 3. Сведения из теории информации и инженерной психологии..……..37 3.1. Количество информации……………………………………………………37 3.2. Факторы, влияющие на переработку информации человеком….……….38 3.3. Применение теории информации в инженерной психологии……………40 3.4. Способы борьбы с избытком и недостатком информации……………….43 3.5. Оценка полезности информации…………………………………………...44 Глава 4. Компьютерная графика как инструмент проектирования интерфейса 4.1. Общая характеристика компьютерной графики…………………………..45 4.1.1. От наскальных рисунков – к компьютерной анимации………………...45 4.1.2. Классификация проблем, связанных с графическими изображениями.46 4.1.3. Направления развития и улучшения компьютерной графики………....48 4.2. Разновидности компьютерной графики………………………….………..50 4.2.1. Растровая графика………………………………………………………...50 4.2.2. Векторная графика………………………………………………………..51 4.2.3. Фрактальная графика…………………………………………..................53 4.2.4. Цветовые модели и режимы………………………………………….......55 4.2.5. Видеокарты………………………………………………………………..57 4.2.6. Форматы графических файлов…………………………………………...58 4.3. Аффинные преобразования на плоскости……………..………………......61 4.3.1. Вращение………………………………………………………………......61 3 4.3.2. Растяжение (сжатие)………………………………………………………62 4.3.3. Отражение………………………………………………………………....63 4.3.4. Перенос (сдвиг)…………………………………………………………....63 4.3.5. Однородные координаты точки……………………………………….....64 4.3.6. Представление преобразований на плоскости с помощью матриц 3-го порядка…………………………………………...………………………............66 4.3.7. Преобразования в 3-мерном пространстве……………………………...71 4.3.8. Примеры преобразований………………………………………………...75 4.4. Проектирование……………………………………………………………..77 4.4.1. Виды проектирования……………………………………….………...….78 4.4.2. Ортографические проекции……………………………………………...79 4.4.3. Аксонометрические проекции…………………………………………...80 4.4.4. Косоугольные проекции………………………………………………….82 4.4.5. Центральные (перспективные) проекции……………………………….83 4.5. Растровые алгоритмы……………………………………………………….86 4.5.1. Понятие связности……………………………………………………......87 4.5.2. Растровое представление отрезка. Алгоритм Брезенхейма……………88 4.6. Алгоритмы вычислительной геометрии………………….......................90 4.6.1. Отсечение отрезка. Алгоритм Сазерленда – Коэна………..…………...90 4.6.2. Алгоритм определения принадлежности точки многоугольнику…….91 4.6.3. Закраска области, заданной цветом границы…………………………...92 4.7. Закрашивание (рендеринг)…...………………………………………......93 4.7.1. Функция закрашивания…………………………………………………..93 4.7.2. Метод постоянного закрашивания………………………………………97 4.7.3. Закрашивание методом Гуро………………………………………….....98 4.7.4. Закрашивание методом Фонга………………………………………….100 4.8. Удаление невидимых линий и поверхностей………………………….101 4.8.1. Построение графика функции двух переменных……………………...103 4.8.2. Отсечение нелицевых граней…………………………………………...105 4.8.3. Алгоритм Робертса………………………………………………………106 4.8.4. Алгоритм Аппеля. Количественная невидимость…………………….109 4.9. Удаление невидимых граней……………………………………………112 4.9.1. Метод трассировки лучей……………………………………………….113 4.9.2. Метод z-буфера………………………………………………………….113 4.9.3. Алгоритмы упорядочения………………………………………………115 4.9.4. Метод построчного сканирования……………………………………...119 4.9.5. Алгоритм Варнака……………………………………………………….120 4.10 . Геометрические сплайны………………………………………………...122 4.10.1. Сплайн-функции. Случай одной переменной………………..……….123 4.10.2. Сплайновые кривые…………………………………………………….125 4.10.3. Сглаживающие кривые. Кривая Безье………………………………...126 4.10.4. Сплайновые поверхности………………………………………............127 Глава 5. Основы художественного конструирования технических изделий и графических интерфейсов………………………………………………….….128 4 5.1. Развитие технической эстетики и художественного конструирования в России и за рубежом…………………………………………………………...128 5.2. Цели дизайна……………………………………………………………….128 5.3. Основные принципы технической эстетики……………………………..129 5.4. Эргономика и ее проблемы ………………………………………………129 5.5. Принципы и закономерности художественного конструирования…….131 5.6. Композиция как средство выражения художественных качеств форм...131 5.7. Средства гармонизации формы промышленных объектов……………..132 5.8. Практические рекомендации по проектированию графических интерфейсов программных средств…………………………………………...135 5.8.1. Технология «живого» интерфейса…………………….………………..135 5.8.2. Основные принципы построения интерфейсов…………….………….135 5.9. Примеры проектирования графических интерфейсов оператора………139 Заключение……………………………………………………………………...143 Список литературы……………………………………………………………..144 5 Введение Графический интерфейс пользователя (ГИП, англ. graphical user interface, GUI) в вычислительной технике – система средств для взаимодействия пользователя с компьютером, основанная на представлении всех доступных пользователю системных объектов и функций в виде графических компонентов экрана (окон, значков, меню, кнопок, списков и т. п.). При этом в отличие от интерфейса командной строки, пользователь имеет произвольный доступ (с помощью клавиатуры или устройства координатного ввода типа «мышь») ко всем видимым экранным объектам. Впервые концепция ГИП была предложена учеными из исследовательской лаборатории Xerox PARC в 1970-х, но получила коммерческое воплощение лишь в продуктах корпорации Apple Computer. В операционной системе AmigaOS ГИП с многозадачностью был использован в 1985 г. В настоящее время ГИП является стандартной составляющей большинства доступных на рынке операционных систем и приложений. Примеры систем, использующих ГИП: Mac OS, Solaris, GNU/Linux, Microsoft Windows, NEXTSTEP, OS/2, BeOS. Если рассматривать вопрос шире, то следует определить, что в современном мире вкладывается в понятие интерфейса пользователя (не только графического). Интерфейс пользователя (UI – англ. user interface) – совокупность средств, при помощи которых пользователь общается с различными устройствами, чаще всего – с компьютером или бытовой техникой, либо иным сложным инструментарием (системой). Это определение, как видим, несколько более широкое. Интерфейс пользователя компьютерного приложения включает: 1) средства отображения информации, саму информацию, форматы и коды; 2) командные режимы, язык «пользователь – интерфейс»; 3) устройства и технологии ввода данных; 4) диалоги, взаимодействие и транзакции между пользователем и компьютером, обратную связь с пользователем; 5) поддержку принятия решений в конкретной предметной области; 6) порядок использования программы и документацию на неё. Пользовательский интерфейс часто понимают только как внешний вид программы. Однако на деле пользователь воспринимает через него всю программу в целом, а значит, такое понимание является слишком узким. В действительности пользовательский интерфейс объединяет в себе все элементы и компоненты программы, которые способны оказывать влияние на взаимодействие пользователя с программным обеспечением (ПО). Это не только экран, который видит пользователь. К этим элементам относятся: 1) набор задач пользователя, которые он решает при помощи системы; 2) используемая системой метафора (например, рабочий стол в MS Windows); 3) элементы управления системой; 4) навигация между блоками системы; 6 5) визуальный (и не только) дизайн экранов программы; 6) средства отображения информации, отображаемая информация и форматы; 7) устройства и технологии ввода данных; 8) диалоги, взаимодействие и транзакции между пользователем и компьютером; 9) обратная связь с пользователем; 10) поддержка принятия решений в конкретной предметной области; 11) порядок использования программы и документация на нее. Для упрощения восприятия функции программы пользователем при разработке пользовательского интерфейса желательно использовать метафоры. Графический интерфейс оператора (ГИО) – это совокупность средств, при помощи которых оператор (человек) общается с технической частью человеко-машинной системы в процессе управления ею. Главное отличие данного определения от приведенных выше состоит, прежде всего, в том, что человек выступает в роли не просто абстрактного пользователя, решающего какие-то свои задачи. Он выступает в роли оператора, осуществляющего управление сложной человеко-машинной системой, в состав которой он и сам входит. Еще одно отличие заключается в возможном расширении арсенала устройств отображения графической информации: это может быть не только экран компьютерного монитора или плазменная панель, копирующая изображение с экрана, но и специальные табло, коналоги 1 , мнемосхемы 2 , и т.п. Другое дело, что по причине универсальных возможностей компьютерного представления любых графических изображений на экране можно воспроизвести вид как всех перечисленных, так и любых других, даже гипотетических устройств отображения. Причем уже сейчас великолепное качество компьютерных изображений продолжает совершенствоваться, развиваются средства виртуальной реальности, трехмерные изображения обретают реальность. 1 Коналог (контактный аналог) – устройство отображения информации, дающее целостное изображение состояния системы, объекта управления или внешней среды. Различают горизонтальные и вертикальные коналоги. В первом случае на индикаторе отображается как бы вид сверху на объект (например, с самолета). Горизонтальные коналоги применяются преимущественно в авиации для решения штурманских задач. На вертикальных коналогах обстановка изображается во фронтальной плоскости (например, вид с наблюдательного пункта подводной лодки или из кабины самолета при посадке и взлете). Вертикальные коналоги применяются для управления скоростью, направлением, пространственным положением и другими параметрами движущегося объекта. Отображение информации на коналоге может производиться по принципам внешнего наблюдения, когда оператор смотрит на управляемый объект как бы со стороны, и внутреннего – оператор как бы движется вместе с объектом относительно фиксированного ориентира. Различие между этими принципами незначительно и проявляется обычно лишь в начале тренировки. В авиации находят применение индикаторы, объединяющие оба принципа отображения. Отличительное свойство коналога – координатная система, в которой одновременно представлена информация о нескольких параметрах объекта. Преимущества коналогов по сравнению с обычными (стрелочными) приборами: 1) один коналог заменяет несколько отдельных индикаторов по каждому параметру; 2) используются те же особенности восприятия человека, которые сформировались у него в естественных условиях. 2 Мнемосхема (мнемоническая схема) – графическая модель, отображающая динамически изменяющуюся функциональную (техническую) схему управляемого оператором объекта. Может быть реализована в виде разных типов дисплеев, приборов. Это совокупность сигнальных устройств и сигнальных изображений оборудования и внутренних связей контролируемого объекта, размещаемых на диспетчерских пультах, операторских панелях или выполненных на персональном компьютере. Информация, которая выводится на мнемосхему, может быть представлена в виде аналогового, дискретного и релейного сигнала, а также графически. На мнемосхемах отражается основное оборудование, сигналы, состояние регулирующих органов. Вспомогательный и справочный материал должен быть расположен в дополнительных формах отображения, с возможностями максимально быстрого извлечения этих вспомогательных форм на экран. 7 Глава 1. Системы управления с человеком В дальнейшем мы будем рассматривать такие системы, которые наряду с техническими устройствами, в том числе и с вычислительной техникой и программным обеспечением, включают также человека или группу людей, участвующих в процессе управления этой системой. Таким образом, мы подчеркиваем активную роль человека в управлении: именно он принимает управленческие решения и дает команду на их выполнение или собственноручно их выполняет. Существует очень много систем, в состав которых входят люди, но нас интересуют только те, в которых люди осуществляют управление. Например, движущиеся объекты: автомобили, корабли, подводные лодки, самолеты, пилотируемые космические аппараты, и даже мотоциклы, велосипеды и, что на первый взгляд звучит довольно странно, всадники и более того – пешеходы! В двух последних примерах системы управления с человеком в качестве управляющей части имеют естественное, т.е. природное происхождение. Они приведены для полноты классификации. Нас конечно в первую очередь будут интересовать системы искусственного происхождения, спроектированные и созданные людьми. Другой пример систем с человеком – организационные системы, т.е. системы, состоящие главным образом из коллективов людей, т.е. персонала, а также возможно включающие помещения, оборудование и т.д. Таковыми являются различные предприятия (производственные, обслуживающие, торговые и др.) или учреждения (образовательные, проектные, медицинские, детские, банковские и др.), а также различные подразделения (воинские, милицейские, специального назначения и т.п). Управление такими системами имеет свою специфику: оно складывалось исторически в процессе общения людей между собой и, как правило, регламентируется устными указаниями и письменными документами, например, приказами, должностными инструкциями, штатным расписанием. В отличие от термина управление (control), принятого в технических системах, для обозначения управления в организационных системах часто используют термин менеджмент (management). Но даже в этом случае, несмотря на чрезвычайную сложность объекта управления, автоматизация затронула и организационные системы: разработаны и успешно функционируют автоматизированные системы документооборота, программные бухгалтерские системы, системы автоматизированного проектирования и т.д. Автоматизированные системы управления (АСУ) – широкий класс систем с человеком (с людьми), в которых объект управления представляет собой сложное техническое устройство или процесс, управлять которым приходится одновременно по многим переменным. Это влечет необходимость использования большого количества разнообразных датчиков и, соответственно, контуров обратной связи с локальными регуляторами, а также появление иерархических уровней управления и потребность в координации одновременной и согласованной работы системы на разных 8 уровнях. Все это приводит к усложнению алгоритмов управления и управляющей части системы в целом. Сложность объекта управления кроме многомерности может также проявляться в нестационарности, нелинейности и распределенности параметров его модели. Информацию о состоянии многочисленных переменных отображают операторам (диспетчерам) на специальных экранах, мнемосхемах, табло. Примером таких систем являются АСУ противовоздушной обороной, АСУ атомной электростанцией, АСУ технологическими процессами (АСУТП). Следует заметить, что системы управления многими из современных движущихся объектов по причине их сложности по существу также являются АСУ, например, АСУ пассажирским лайнером, истребителем 4-5 поколений, космическим аппаратом, подводным крейсером. Все эти системы, безусловно, нуждаются в качественном и эффективном графическом интерфейсе, посредством которого человек может взаимодействовать с технической частью системы. 1.1. Человек-оператор в системах управления Человек-оператор (Ч-О) – это человек, который работает в составе технической системы (например, системы ручного управления или АСУ). По существу человек-оператор – это искусственно выделенная часть свойств, возможностей и способностей человека, предназначенная для выполнения поставленных перед ним задач в составе технической системы. Человек рассматривается как звено системы наряду с другими звеньями. При этом другие многочисленные и разнообразные индивидуальные свойства человека физиологического, интеллектуального или эмоционального характера могут совершенно не учитываться, не приниматься во внимание. Таким образом, под человеком-оператором подразумевают некоторую упрощенную модель деятельности человека в составе системы. Тем не менее, как будет видно из дальнейшего, правильный, т.е. системный подход к созданию и использованию такой упрощенной модели требует предварительного тщательного изучения всех особенностей, ограничений и возможностей человека в процессе управления, включая самые разнообразные аспекты его жизнедеятельности и их прямое или косвенное влияние на исследуемый процесс. Только после такого всестороннего изучения можно создать адекватную упрощенную и истинную модель человека, действующего в составе системы управления, т.е. человека- оператора. Этим вопросам посвящены три первые главы учебника. 1.2. Системы ручного управления Исторически системы ручного управления появились намного раньше автоматических систем. Лодка с рулевым (кормчим) – хрестоматийный пример системы ручного управления, давший, кстати говоря, название всей 9 науке об управлении – кибернетике (по-гречески ξιβερνωσ – кормчий). А лодки, как известно, человек научился делать еще в древнейшие времена. В системах ручного управления человек-оператор выполняет функции регулятора, поэтому на типовой структурной схеме САР он вместе с индицирующим устройством, сообщающим ему информацию об ошибке, замещает именно регулятор, как показано на рис. 1. Рис. 1. Блок-схема системы ручного управления Всадник на коне – пример другой системы ручного управления, в данном случае естественного происхождения, в которой исполнительный орган мощностью в одну лошадиную силу совмещен с объектом управления. Предельный случай естественной системы ручного управления, в которой вообще все принципиальные устройства совмещены в одном объекте, – это, например, пешеход. Как уже было сказано, нас, прежде всего, интересуют системы искусственного происхождения, в которых объект управления представляет собой более или менее сложное техническое устройство. Примеры таких систем ручного управления: велосипедист на велосипеде (несмотря на то, что он тормозит или разгоняется с помощью ног), косильщик газонов с машинкой, рабочий, обрабатывающий на станке деталь, автомобиль с водителем, самолет с летчиком, пилотируемый космический аппарат в режиме ручного управления и т.д. 1.2.1. Общие черты систем ручного управления Наиболее важный вывод, который можно сделать из анализа блок-схемы системы ручного управления (рис.1) состоит в том, что человек оказывается в прямой цепи управления. Наличие же человека-оператора в прямой цепи управления приводит к следующим результатам. 1. Человек в процессе управления испытывает значительные информационные перегрузки, так как он обладает ограниченной пропускной способностью (примерно 50 бит/сек), а в реальных ситуациях управления скорость поступления информации к человеку значительно превышает эту величину. 2. Человек в процессе управления утомляется, и это приводит к тому, что ухудшаются его характеристики, связанные со способностью 10 воспринимать, перерабатывать информацию и принимать решения, а также выполнять управляющие действия; таким образом, при длительной работе модель Ч-О становится нестационарной. 3. Человек допускает ошибки в принципе (humanum errare est), а кроме того в силу причин, указанных в пунктах 1 и 2 вероятность ошибок значительно возрастает; следовательно понижается надежность работы всей системы, в составе которой человек действует (в штатных ситуациях). 4. Надёжность системы с человеком в нештатных ситуациях увеличивается за счет умения человека-оператора принимать быстрые и качественные управленческие решения в условиях неожиданно изменившейся обстановки, не предусмотренных заранее (инструкцией). Нештатной называется непредвиденная ситуация, создавшаяся либо в результате случайных воздействий со стороны внешней среды, либо вызванная непредусмотренными изменениями в работе аппаратуры по иным причинам. 1.2.2. Следящие системы ручного управления В ручных следящих системах различают два вида слежения: 1) слежение с компенсацией; 2) слежение с преследованием. Слежение с компенсацией Вспомним из курса теории управления: 1) если входное воздействие x(t)изменяется по какой-то известной программе x(t)=f(t)=var, то это система программного управления; 2)если же x(t) = const, то такая система называется системой стабилизации; 3) наконец, в случае, когда входной сигнал заранее неизвестен, а изменяется некоторым случайным образом, т.е. x(t) = random, система называется следящей. Рис. 2. Блок-схема системы слежения с компенсацией В данном случае мы имеем дело именно со следящей системой. При компенсаторном слежении (рис. 2) на индикатор поступает и предъявляется 11 Ч-О только сигнал ошибки ε(t), представляющий собой разность между входным и выходным сигналами. Примером реализации такого режима может служить движение на автомобиле по дороге с нанесенной разметкой в условиях нулевой видимости. При этом водитель видит только отклонение автомобиля от линии разметки непосредственно перед ним, но не видит вперед: куда повернет дорога? Слежение с преследованием Характерной особенностью второго случая (рис. 3) слежения с преследованием является то, что на индикаторе одновременно отображаются как сигнал ошибки ε(t), так и входной сигнал x(t). И в случае слежения с компенсацией, и в случае слежения с преследованием оператор должен свести ошибку к нулю. Характеристики Ч-О при этом являются определяющими. Рис. 3. Блок-схема системы слежения в режиме преследования Однако при прочих равных условиях слежение с преследованием оказывается для Ч-О более удобным, т.к., наблюдая изменения входного сигнала, он может экстраполировать (предсказывать) будущие значения входного сигнала, что значительно облегчает слежение за траекторией. Примером реализации такого режима может служить движение на автомобиле по дороге с нанесенной разметкой в условиях хорошей видимости. Входным сигналом в данном случае является набегающая лента разделительной полосы дорожного полотна, а сигналом ошибки – отклонение автомобиля от нее. Водитель видит не только отклонение, но и характер изгибов дороги впереди по ходу движения и может заранее подготовить свои управляющие действия по управлению вектором скорости автомобиля. 1.3. Системы автоматизированного управления Системы ручного управления обладают существенным недостатком: наличие Ч-О в прямой цепи управления влечет большую информационную и моторную нагрузку на него, что приводит к ошибкам, цена которых очень 12 велика. Для того чтобы избежать этого, Ч-О выводят во внешний контур управления, перепоручив автоматике его функции во внутреннем контуре. При этом человеку-оператору остаются функции контроля над ходом процесса управления с возможностью вмешаться в него при необходимости. Такое распределение функций между Ч-О и технической частью системы приводит к полуавтоматическим системам управления (рис. 4). Если мысленно повернуть рис. 4 на 90 0 по часовой стрелке, то Ч-О окажется сверху, т.е. на более высоком уровне иерархии, где, как известно из теории многоуровневых иерархических систем, ответственность за принятие решений больше, а информационная нагрузка – меньше. Рис. 4. Блок схема полуавтоматической системы управления В принципе те же соображения используются и в автоматизированных системах управления (АСУ), однако эти системы являются значительно более сложными по своей структуре и подробно здесь не рассматриваются. Укрупненная схема АСУ приведена на рис. 5. Пирамидальная структура АСУ ОР Обратная связь ОР Р Р Р ОР И … ЧО Рис. 5. Упрощенная схема автоматизированной системы управления (АСУ). ЧО – человек-оператор; Р – регулятор; ОР – объект регулирования; И – индикатор 13 1.4. Проблемы эргономического подхода к проектированию систем с человеком-оператором 1. Анализ задач человека в СУ и способов его связи с другими компонентами системы. При этом наибольшее внимание уделяется проблемам точности, надежности, быстродействия звена «человек-оператор». 2. Исследование групповой деятельности операторов, обслуживающих систему управления. 3. Анализ структуры деятельности Ч-О: определяются требования, которым должен удовлетворять оператор с точки зрения инженерной психологии (эргономики). В отдельных случаях требования к оператору могут быть удовлетворены после соответствующей подготовки (тренировки). 4. Исследование факторов, влияющих на эффективность работы операторов. 1.5. Упрощенная передаточная функция человека-оператора в режиме компенсаторного слежения Американские исследователи Макруэ и Крэндэл (McRuer, Crandall) получили для режима компенсаторного слежения (рис. 6) передаточную функцию деятельности человека-оператора следующего вида: ) 1 ( ) 1 ( ) 1 ( ) ( 3 2 1 S T S T S T e k S W snT . Здесь отдельные составляющие описывают различные характерные особенности восприятия и переработки информации человеком и его реакции на нее. e -snT Рис. 6. Структура передаточной функции человека-оператора по Макруэ и Крэндэлу Первый блок (1) описывает сенсорный вход человека, который связан с процессом получения и восприятия им информации. Во-первых, этот блок отражает наличие у человека фактически не одного, а нескольких входов (зрение, слух, осязание, обоняние, вкус, – соответственно различным органам его чувств). Так для зрительного анализатора, например, чувствительным элементом является сетчатка глаза. Требуется некоторое время на отображение картинки на сетчатке, преобразование графической информации в электрические сигналы, их передачу по глазному нерву в мозг и, наконец, распознавание поступившей информации. Именно этот интервал 14 времени и описывает звено чистого запаздывания. Итак, сенсорный вход характеризует процесс восприятия информации. Причем данная модель учитывает пропорциональное замедление процесса восприятия релевантной (важной) информации по некоторому входу, если по другим входам одновременно поступает также релевантная, но другая информация. Это замедление отражает коэффициент n в показателе экспоненты звена чистого запаздывания. Иначе говоря, если различная полезная информация поступает одновременно на органы зрения и слуха, то восприятие пойдет в 2 раза медленнее, чем если бы это была только видеоинформация или только звук. Второй блок (2) характеризует переработку информации и принятие решения. Соотношение постоянных времени переработки информации 1 , 0 / 2 1 T T соответствует неподготовленному оператору, а для подготовленного оператора это соотношение приближается к единице: 1 / 2 1 T T Третий блок (3) – описывает моторный выход человека, характеризующий отработку его мышцами электрического управляющего сигнала, переданного мозгом по нервной системе. Поскольку моторный выход описывает биомеханику человека, соответствующая постоянная времени значительно превышает постоянную времени переработки информации: 2 3 T T 1.6. Реакции человека-оператора В лабораторных условиях изучают реакции человека в различных условиях. Различают 3 вида реакции: 1) сенсорно-моторная; 2) реакция на движущийся объект (РДО), или реакция слежения; 3) дизъюнктивная реакция (реакция выбора). Простая сенсорно-моторная реакция определяется так: известен входной сигнал (стимул) и известна реакция оператора, замеряется интервал между ними. Время сенсорно-моторной реакции для различных анализаторов человека приведено в табл.1. Время сенсорно-моторной реакции (мс) Таблица 1 № Название анализатора Нижняя граница Верхняя граница 1 Зрительный анализатор 150 220 2 Слуховой анализатор 120 180 3 Тактильный анализатор 90 220 4 Болевой порог 130 890 5 Вестибулярный аппарат 400 400 Реакция слежения (РДО) включает во время, затрачиваемое на совмещение курсора, которым управляет человек-оператор, с некоторой отметкой (маркером), движущейся по неизвестной заранее оператору 15 траектории. Этот вид реакции зависит от времени предшествования, т.е. от того времени, в течение которого оператор наблюдал движение изображаемого объекта до начала своих действий. Это облегчает задачу оператору, поскольку он может экстраполировать (предугадывать) движение маркера. Если время предшествования превышает 300 миллисекунд, то время РДО составляет для зрительного анализатора 100-150 мс, если же время предшествования меньше 300 мс, то время РДО равно времени простой сенсорно-моторной реакции. Дизъюнктивная реакция соответствует времени, затрачиваемому оператором на осуществление выбора наиболее подходящего решения из нескольких возможных, известных заранее, в зависимости от некоторых условий, накладываемых на стимулы. Латентный период для этого вида реакции значительно больше, чем в случае простой сенсорно-моторной реакции. В принципе время латентного (скрытого от наблюдателя) периода зависит от многих факторов: от интенсивности сигнала, его модальности и т.д. 1.7. Структура модели деятельности человека-оператора Для упорядочения представлений о деятельности человека-оператора в целом в составе системы ручного управления полезно рассмотреть структуру модели, которую используют при исследованиях. Структурная схема модели деятельности человека-оператора, учитывающая работу его сенсоров, периферической и центральной нервной системы (ЦНС), биомеханический привод руки (ДР), а также работу органа управления (ОУ) и динамику объекта управления (ДО), показана на рис. 6. Рис. 6. Структурная схема модели деятельности человека-оператора С – стимул; ПЧ – порог чувствительности; ВР – время реакции; ЦНС – центральная нервная система; Ф – фильтр ; ДР – динамика руки; ОУ – орган управления; ДО – динамика объекта управления; КОС – кинематическая обратная связь, используется для улучшения кинематики системы. Каждый из блоков схемы может быть более или менее подробно описан соответствующими передаточными функциями и типовыми нелинейными 16 элементами, так что для конкретного объекта управления можно провести эксперименты моделирования динамики системы ручного управления. В результате могут быть получены переходные процессы в любой интересующей исследователя точке схемы. Обработка результатов моделирования позволит сделать объективные выводы о влиянии характеристик человека-оператора на работу системы, а также, возможно, дать полезные рекомендации по улучшению качества ее работы. 1.8. Безошибочность работы человека-оператора и его влияние на точность системы управления Безошибочность работы системы, называемая иногда точностью, оценивается как произведение вероятностей безошибочной работы всех её элементов. По сути дела речь идет о надежности системы. n i i су P P 1 Если установлен менее точный элемент, то необходимо либо повысить его точность непосредственно, либо найти другие способы её улучшения. Наименее точным в системе является человек-оператор, поскольку вероятность совершения ошибок со стороны человека значительно превышает аналогичные значения вероятностей со стороны технических элементов системы. 1.8.1. Структура ошибок человека-оператора Различают постоянную и переменную составляющие ошибки. Постоянная составляющая оценивается средним арифметическим от всех допускаемых ошибок, а переменная составляющая – среднеквадратической ошибкой. Постоянная составляющая ошибки: N e M n i e 1 , где N - число испытаний. e n i сист M М 1 Пример: определение дальности. Ошибка, вносимая человеком-оператором: М е1 =50м. Система дает составляющую ошибки: М е2 =+10м, М е3 =–20м, М сист = 50+10–20=40м. Переменная составляющая ошибки оценивается среднеквадратичной ошибкой: n i ei e 1 2 Если 3 1 сист сист М , то постоянной ошибкой человека-оператора можно пренебречь. 17 Если 3 1 сист сист М , то необходимо принять меры по компенсации ошибки. Этого можно достичь, в том числе и за счет улучшения графического интерфейса человека-оператора. Человек может неправильно или неточно считывать информацию, отображаемую для него на экране дисплея, особенно если она представлена в неудобном виде. Иначе говоря, правильно спроектированный и удобный для оператора интерфейс позволяет уменьшить, а иногда и полностью компенсировать постоянную составляющую ошибки оператора. 1.9. Надежность человека-оператора Под надежностью человека-оператора понимается его способность выполнять поставленную задачу. Эта способность (надежность) оценивается такой количественной характеристикой как вероятность безошибочного выполнения задачи в заданных условиях. Известно, что в стрессовых ситуациях человек-оператор работает так, что жертвует точностью ради повышения устойчивости и живучести системы, которой он управляет. 1.9.1. Способы повышения надёжности Надежность человека-оператора может быть увеличена посредством его обучения. Кроме того существуют структурные способы повышения надежности систем, которые применимы и для человека как элемента системы: 1) дублирование человека-оператора; 2) использование дополнительных обратных связей; 3) использование контролирующих устройств. Дублирование подразумевает включение в работу параллельно дополнительного оператора, который выполняет ту же самую работу. Рис. 8. Параллельное включение операторов Рассмотрим пример параллельной работы двух операторов: А и B с одинаковой вероятностью безошибочной работы – 80%. Это означает, что Р A =Р B =0.8 По формуле условной вероятности получим: Р=Р A *Р B +Р A *(1-Р B )+Р B *(1-Р A )=0.8*0.8+2*0.2*0.8=0.96 Таким образом, получается, что при параллельной работе двух одинаковых операторов (дублировании) вероятность безошибочной работы значительно увеличилась – до 96%. Это доказывает эффективность 18 дублирования. При этом, однако, следует иметь в виду, что затраты на реализацию системы управления также возрастают. Использование дополнительных обратных связей подразумевает введение дополнительных датчиков, которые позволили бы измерять различные физические сигналы, соответствующие другим переменным системы помимо уже измеряемых ранее, и передавать эту информацию либо на соответствующие индикаторы человеку, либо на автоматические регуляторы. Таким образом, замыкаются контуры дополнительных локальных обратных связей, охватывающие человека, либо действующие параллельно ему. Это увеличивает устойчивость системы в целом и, в конечном счете, повышает надежность выполнения конкретной задачи, например, слежения. 1.10. Работоспособность человека-оператора Под работоспособностью понимается способность человека выполнять предписанные ему операции. Лучше всего, если он выполняет свою работу с одинаковой интенсивностью и качеством, то есть стабильно. Стабильность означает постоянство таких его характеристик как время реакций, вероятность ошибок, пропускная способность и др. К сожалению, природа человека такова, что он не может сохранять свои характеристики стабильными в течение длительного времени. После некоторого интервала интенсивной работы наступает утомление, которое проявляется субъективно в ощущении усталости, ухудшении самочувствия, а объективно – в снижении значений характеристик работы. Поэтому человеку требуются своевременные перерывы в работе для отдыха и восстановления характеристик. Таким образом, работоспособность является неким интегральным показателем, включающим в себя целый ряд характеристик, всесторонне описывающих работу человека-оператора. Экспериментально получены данные по работоспособности операторов, представленные на рис. 9. Работоспособность R отображена в форме графика в зависимости от времени суток в некоторых относительных единицах. На графике явно можно выделить три участка: A, B и C. Участок A соответствует так называемой врабатываемости, когда человек настраивается на работу, подготавливается к ней, отвлекаясь от помех и концентрируя внимание на выполнении требуемой задачи. При этом рабочие характеристики человека достигают постепенно своих оптимальных значений. Участок B соответствует периоду стабильной работы человека с наилучшими значениями характеристик и, соответственно, с наилучшими показателями качества работы. Участок C отражает наступление утомления, выражающегося в постепенном ухудшении значений характеристик деятельности оператора и показателей качества его работы. При этом следует понимать, что, как и любая другая модель, график на рис. 9 описывает характер указанных изменений лишь приближенно и нарочно подчеркивает резкое отличие участков. 19 Рис. 9. Зависимость работоспособности человека-оператора от времени A - врабатываемость; B - период стабильной работы; C – утомляемость Соединение между этими участками на реальном экспериментальном графике выглядит значительно более плавным. Кроме того здесь показано качественное изменение усредненного показателя работоспособности по группе операторов. 1.11. Помехоустойчивость человека-оператора На прием и переработку информации влияют как внешние, так и внутренние факторы. 1) К внешним факторам относят: шум, вибрацию, уровень электромагнитных излучений, уровень радиации, запыленность и загазованность атмосферы, давление, температуру и влажность, окружающей среды и т.д. 2) К внутренним факторам относятся: физиологические параметры организма и состояние психики человека. При приеме информации по нескольким каналам одновременно один вид информации может служить помехой для приема информации другого вида. 1.12. Оптимальная зона условий работоспособности человека- оператора Существует понятие оптимальной зоны условий, при которых человек- оператор работает наилучшим образом. Признаки оптимальной зоны: 1) наиболее высокие показатели сенсорного входа и моторного выхода оператора; 2) длительное сохранение работоспособности; 3) наибольшая стабильность характеристик оператора; 4) адекватность оператора (одинаковая реакция на один и тот же стимул). A B C 20 |