ЭРГОНОМИЧЕСКИЙ СЕРТИФИКАТ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ ОБРАБОТКИ И ОТОБРАЖЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ И УПРАВЛЕНИЯ

Горячкин Б.С.

ORCID: 0000-0002-0852-4162, кандидат технических наук, доцент, Московский государственный технический университет им. Н.Э.Баумана

ЭРГОНОМИЧЕСКИЙ СЕРТИФИКАТ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ ОБРАБОТКИ И ОТОБРАЖЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ И УПРАВЛЕНИЯ

Аннотация

Статья посвящена оценке и выбору рациональных информационных моделей автоматизированной системы обработки информации и управления, методам и способам расчета и улучшения параметров экранных форм, основанных на инженерно-психологических возможностях человека, что существенно повышает эффективность работы человека-оператора в контуре управления автоматизированной информационной системы как эргатической системы.

Ключевые слова: Эргономический сертификат, информационная модель, экранная форма.

Goryachkin B.S.

ORCID: 0000-0002-0852-4162, PhD in Engineering, assistant professor, Moscow State Technical University named after Bauman

ERGONOMIC CERTIFICATE OF THE AUTOMATED SYSTEM FOR PROCESSING AND DISPLAYING INFORMATION AND CONTROL

Abstract

The article is devoted to the evaluation and selection of rational information model of automated system of information processing and management, methods and techniques of calculation and improve the parameters of screen forms based on the engineering-psychological abilities of a person, which significantly increases the efficiency of the human operator in the control loop of the automated information system as ergatic system.

Keywords: Ergonomic certificate , information model, a display form.

Введение

С появлением компьютерной техники началось бурное развитие информационных технологий. Хотя и до появления компьютеров имелись средства для обмена информацией, построенные на аналоговой электронике и цифровой, жесткой логике.

Информационные технологии развивались во многих отраслях промышленности, но именно компьютеризация дала толчок для их интенсивного развития.

Мир вступил в эпоху глобального информационного общества. Объем информации, величина информационных потоков, которые вынужден пропускать через себя человек, требуют эффективной регулировки этого процесса, приемлемых, а порой и оптимальных способов переработки, хранения, передачи и особенно представления информации.

Представленная информация должна быть удобна человеку, ее параметры должны позволять человеку-оператору (ЧО) принять ее, идентифицировать и если нужно предпринять те или иные ответные действия.

Для работы в контуре управления  автоматизированной информационной системы (АИС) работа человека-оператора требует концентрации внимания, умелых управленческих действий, возможно предварительной подготовки и обучения. Но даже выполнение всех вышеперечисленных факторов может быть недостаточно для эффективного выполнения поставленной задачи. Таким образом, мы имеем контур, где:

1. активный оператор должен соответствовать поставленным целям АИС. Здесь уместно говорить о базовых знаниях, специализированной подготовке, об адаптированном обучении (например, на тренажерах), о соответствующем психофизиологическом состоянии, целом ряде инженерно-психологических характеристик. Безусловно, критичными параметрами являются граничные возможности зрительной системы человека, характеристики зрительного анализатора ЧО, так как 90% операторского информационного потока идет через зрительный канал;
2. техническое средство, представляющее собой систему обработки и отображения информации, должно позволять в отведенное время (возможно и реальное) формировать и представлять информационную модель. В вопросах формирования ключевыми являются задачи времени и степени детализации и точности получаемого изображения. В вопросах представления на первый план выходят характеристики средства отображения;
3. среда обитания или рабочая операционная среда должна отвечать целому ряду параметров, многие из которых стандартизованы (например, освещенность, шум, электромагнитное излучение и пр.). Однако есть характеристики, которые могут подвергаться только экспертной оценке, которая субъективна по своей сути.

Проблемам систем «человек-машина» (СЧМ) и систем «человек-машина-среда» (СЧМС), эффективности работы этих систем, распределению функций между компонентами системы уделяется очень широкое внимание. В данной статье предлагается вариант оценки эргономичности автоматизированной системы обработки информации и управления (АСОИУ).

Постановка задачи

Имеется автоматизированная система обработки информации и управления. В ее составе есть комплекс технических средств со своими характеристиками, есть информационное и программное обеспечение; в контуре управления (КУ) работает человек-оператор. Требуется оценить эргономическую составляющую, эргономичность АСОИУ. При этом надо иметь ввиду, что разработчик системы, а впоследствии возможно и ее эксплуатационщик – это, как правило, IT-специалист, способный грамотно выстроить архитектуру системы, спроектировать и разработать одну или несколько баз данных, распределить необходимые ресурсы, учесть особенности и специфику человеческого фактора и пр. Но дело в том, что сегодня оценка эргономичности АИС – это сложная комплексная процедура, требующая присутствия в коллективе разработчиков эргономистов высокого класса, создания не одной экспертной фокус-группы, использования современных методов и средств измерений и соответственно знания приборов и устройств для этих измерений[6]. Это заставляет найти эффективные экономные и рациональные способы оценки эргономичности АСОИУ и наглядного представления результатов этой оценки. Таковым может быть некий сертификат – документ, отражающий наиболее критичные параметры эргономического  обеспечения системы обработки и отображения информации. Ниже приведены нюансы и специфика разработки эргономического сертификата (ЭС) АСОИУ.

Структура эргономического сертификата и его наполнение

Оценка эргономичности, как было отмечено, являясь комплексной процедурой, должна, безусловно, затрагивать все три коммуниканты  СЧМС и учитывать доминирующее влияние зрительного канала приема информации. На основании изложенного напрашивается подход к данной процедуре, основанный на анализе и последующем рациональном или оптимальном выборе (расчете) характеристик зрительного анализатора (ЗА) человека [5]. Анализ восприятия можно разделить на две стадии:

– прием общей информации,  приходящей с экрана монитора средства отображения АСОИУ, учитывая условия функционирования, внешние условия (особенно уровень внешней засветки, определяемый естественным и искусственным освещением), возможности по формированию изображения в зависимости от свойств монитора и параметров технических средств АИС  и др. (общая эргономическая оценка – часть I);

– прием конкретных выходных экранных форм, получаемых на выходе разработанной АИС, особенно учитывая сложные графические и как вариант картографические ИМ с высокой степенью деталировки и крайне насыщенные (частная эргономическая оценка – часть II).

В I части эргономического сертификата дадим оценку:

1. энергетическим (яркостно-контрастным) характеристикам;
2. пространственным характеристикам;
3. временным характеристикам;
4. информационным характеристикам.

Во II части ЭС оценим частные ИМ. Эта оценка может быть основана, в том числе, и на методе экспертных оценок, который потребует значительной подготовки и выбора соответствующего персонала. Степень глубины и деталировки оценки может разниться для разных эргономических сертификатов [4]. Если брать интегральный уровень, то, безусловно, целесообразно произвести оценку информационной насыщенности и цветовой гаммы изображений на основе нескольких аспектов.

Нельзя сказать, что оценка по указанным параметрам и характеристикам является всеобъемлющей, но она дает четкое представление об эргономичности АСОИУ в отношении пользовательского «экранного» интерфейса и позволяет внести соответствующие коррективы в процесс разработки и проектирования.

Методика расчета характеристик эргономического сертификата

1. Расчет яркостно-контрастных характеристик.

При оценке этих характеристик следует учесть не только технические параметры выбранных средств отображения (например, световой поток генерируемого средством отображения излучения), но и оказывающие на них критическое влияние характеристики специфических условий функционирования, в частности, внешней освещенности и, следовательно, внешнего светового потока.

Как известно, яркость определяется двумя составляющими [7].

 (1)

где  L_изл   – яркость излучения; L_отр – яркость отражения.

Причем яркость излучения определяется как

  (2)

где    I – сила света, то есть световой поток, излучаемый на единицу телесного угла; S – площадь светящейся поверхности экрана; α – угол наблюдения.

Излучаемый световой поток можно выразить формулой [5]

Ф =   (3)

где    Φ - световой поток, генерируемый выбранным средством отображения; Ω – угол, в пределах которого распространяется учитываемый световой поток.

Световой поток, попадающий в глаз ЧО (рис. 1) создает силу света

  (4)

где Ф_изл – световой поток, генерируемый выбранным средством отображения; σ – плоский угол, соответствующий телесному углу обзора ИМ.­

Рис. 1

Вторая составляющая формулы (1) определяется уровнем освещенности и ее отражающими свойствами:

 (5)

где E_вн – освещенность поверхности; ρ – коэффициент отражения поверхности экрана монитора, он во многом определяется цветом поверхности [2].

Внешняя засветка экрана показана на рис. 2.

Рис. 2

 

Освещенность поверхности экрана E формируется за счет искусственных или естественных источников освещения. Искусственные – освещение рабочих помещений начиная от ламп накаливания (точечный источник света) до различных световых панелей, площадок, требующих интегральной оценки светового воздействия. Естественное освещение – дневной свет, солнечные лучи, достигающие экрана монитора.

Тогда E  можно представить как:

  (6)

где I_вн – сила света внешнего источника; Ԑ – угол между линией визирования и падающими лучами внешнего источника света; r – расстояние от внешнего источника до центра экрана.

   (7)

Рассчитанная по формуле (7) яркость будет обеспечивать наилучшие условия для работы, а, следовательно, для восприятия ИМ при уровнях так называемой адаптирующей яркости, лежащей в пределах от нескольких десятков до нескольких сотен кд/м². Для сравнительного анализа целесообразно брать L_адапт в пределах от 10 кд/м² до 1000 кд/м².

Так как в поле зрения оператора могут попадать предметы с различной яркостью, оценим эффективность восприятия таких объектов. Эта характеристика определяется яркостным контрастом, который в зависимости от того, предмет темнее или ярче фона, бывает прямым и обратным. Оптимальной считается величина контраста равная  в пределах:

  (8)

А при работе в условиях ограниченного пространства и времени (например, в реальном масштабе времени) эту величину следует принимать:

  (9)

При этом восприятие ИМ, содержащей объекты различной яркости, при прямом контрасте более благоприятна, чем при обратном.

Тогда получим яркость фона при прямом контрасте  равной

  (10)

а при обратном

  (11)

где К – величина прямого и обратного контраста соответственно. Подставив в выражения (10) и (11) величины К для разных режимов ( см. выражения (8) и (9)), получим количественные значения эффективных яркостей фона для восприятия объектов различной яркости.

2. Расчет пространственных характеристик.

При оценке этих характеристик сфокусируемся на пространственных величинах, оказывающих существенное влияние на расположение ИМ относительно человека-оператора и соответственно на эффективность всего приема информации. При этом, безусловно, надо учитывать «пространственные» возможности ЧО, а, именно, и остроту зрения, и поля зрения, и объем восприятия – то есть соответствующие характеристики зрительного анализатора. К величинам, описанным выше, относятся расстояние до монитора и пространственное расположение средства отображения информации (видеотерминального устройства).

Из анализа источников следует, что наиболее приемлемое расстояние  от глаза до экрана равно:

  (12)

хотя многие склоняются к l_опт = 50 см. Однако учитывая современный парк компьютеров и проведенные исследования, целесообразней это расстояние принять за 65 см, тем более что в последующих расчетах характеристик эргономического сертификата этот параметр будет выступать в качестве аргумента и может быть несколько скорректирован.

Вторая пространственная характеристика ЭС – угловые размеры полезного информационного поля. Так как возможности зрительного анализатора по всему фронту обзора серьезно разнятся, следует угловые параметры средства отображения как по вертикали, так и по горизонтали установить в рамках поля ясного зрения. Это второй по эффективности участок поля зрения оператора. Такой выбор оправдан, исходя из того, что в зону периферического зрения могут попадать другие предметы и объекты (информационные средства и системы, другие операторы и пр.), а зоне центрального зрения как правило располагается объект управления ( рис. 3).

Рис. 3

Тогда γ^вер = γ_яз;  γ^гор = γ_яз ,   (13)

где γ^вер , γ^гор – угловые размеры полезного информационного поля монитора; γ_яз – зона ясного зрения, равная 30^о–35^о .

3. Расчет временных характеристик.

Временные характеристики восприятия существенно зависят от структуры, сложности, содержательности и технических характеристик изображения таких как четкость, контраст, яркость. Ввиду того, что процесс приема сложноструктурированной графической, а подчас и картографической информации (то есть восприятие сложных информационных моделей) сводится в основном к информационному поиску, определим математическое ожидание времени поиска М_tип

  (14)

где E – общий объем элементов ИМ (максимальное значение будет достигаться при  абсолютно максимальной насыщенности информационного поля); a – объем зрительного восприятия (характеристика зрительного анализатора), ограниченный объемом оперативной памяти ЧО и пространственными характеристиками зрения; M_Hα – число элементов ИМ с заданным для поиска набором характеристических параметров – α; t_ф – продолжительность зрительной фиксации.

Результаты исследований показали, что восприятие одного элемента сложной ИМ в процессе зрительного поиска составляет в среднем 1 – 1.2 сек. Процесс выделения и преобразования информации, составляющий основу информационного поиска, представляет случайное сканирование по полю экрана, и во многом зависит от условий восприятия [3]. Это обусловлено тем, что последние определяют продолжительность фиксаций, которая составляет 90% – 95% от времени зрительного восприятия.

Длительность фиксации, в свою очередь, определяет критическую частоту смены кадров (перелистывание экранных форм) – f_см, а, следовательно, и время экспозиции. В общем случае

  (15)

С другой стороны, величина зрительной фиксации ограничена периодом следования картин, так как для эффективности восприятия динамических информационных моделей необходимо учитывать время сохранения ощущения, в пределах которого в зрительной системе ЧО остается образ предыдущего кадра (ЭФ), в противном случае будет ухудшаться точность и скорость реагирования.

Время, необходимое для возникновения зрительного ощущения, характеризует также критическую частоту мельканий. Величина последней зависит от уровня яркости адаптации и в условиях высокой внешней засветки (E_вн, см. формулу (5)) экрана неприемлемо повышается. Для неспецифических условий функционирования значение внешней освещенности не является критичной.

4. Расчет информационных характеристик

Если не брать интегральных информационных характеристик частных (конкретных) информационных моделей таких как, информационный объем, коэффициент заполнения экрана, насыщенность, которые целесообразно оценить во второй части ЭС, внимания заслуживают пороговые значения элементов ИМ [1]. Для буквенно-цифровых символов с учетом оптимальных значений яркости, освещенности, контраста угловые размеры данной величины будут составлять 15' – 18'  для простых знаков, 21' – 26'  для средних знаков и 35' – 40'  для сложных знаков.

Тогда пороговые значения будут равны

  (16)

где l – расстояние от экрана монитора до ЧО, β – угловой размер элемента ИМ.

Градация на простые и сложные знаки во многом условна. Поэтому букву какого-либо из алфавитов можно принять за сложный символ.

Заключение

В целом можно заключить, что эргономический сертификат может рассматриваться как оценка эргономического обеспечения АСОИУ. В то же время мы вправе его рассматривать как ступень (этап) эргономической экспертизы соответствующей стадии проектирования. Её результаты оформляются в виде акта экспертизы, в котором излагаются отмеченные недостатки, даются предложения по их устранению. Материалы ЭС как раз позволяют это сделать и, если понадобится, осуществить гибкий пошаговый процесс устранения неэффективности работы ЧО в контуре управления, а значит, и всей информационной системы.

Также следует отметить, что ЭС внедрен и успешно используется в учебном процессе в МГТУ им. Н.Э. Баумана, а разработка ЭС является составной частью выпускных квалификационных работ, посвященных созданию автоматизированных систем обработки и отображения информации и управления.

Литература

1. Баканов А.С., Обознов А.А.Эргономика пользовательского интерфейса М.: Изд-во «Институт психологии РАН», 2011. – 176 с.
2. Вудсон У., Коновер Д. Справочник по инженерной психологии для инженеров и художников-конструкторов – Москва: Издательство «Мир», 1968. – 518 с.
3. Горячкин Б.С. Влияние временных задержек в пользовательском интерфейсе автоматизированной системы управления зданием на ее эргономические характеристики // Инженерный вестник (МГТУ им. Н.Э. Баумана). Электронный журнал 2015. – № 2. – URL: http://engbul.bmstu.ru/doc/756802.html (Дата обращения 15.08.2016).
4. Горячкин Б.С. Шкала для оценки эргономичности способов отображения информации // Наука и образование: научное издание МГТУ им. Н.Э. Баумана 2014. – № 5. – URL: http://technomag.bmstu.ru/doc/711864.html (Дата обращения 15.08.2016). DOI: 7463/0514.0711864.
5. Ломов Б.Ф. Справочник по инженерной психологии. – М.: Машиностроение, 1982. – 368 с.
6. Организация взаимодействия человека с техническими средствами АСУ: в 7 т. / под ред. В. Н. Четверикова. – М.: Высшая школа, 1990. – Т. 7: Системное проектирование взаимодействия человека с техническими средствами / В. М. Гасов, А. В. Меньков, Л. А. Соломонов, А. В. Шигин. – 1990. – 142 с.
7. Основы инженерной психологии / БА.Душков и др.; подред. Б. Ф. Ломова. – М.:Высшая школа, 1986. – 448 с.

 References

1. Bakanov A. S., A. A. Oboznov the Ergonomics of the user interface M.: Publishing house «Institute of psychology RAS» publ., 2011. – 176 s.
2. Woodson W., Conover, D. Handbook of engineering psychology for engineers and artists-designers – Moscow: Publishing house «Mir», 1968. – 518 s.
3. Goryachkin, B. S. The Effect of time delays in the user interface of the automated building management system to its ergonomic features // Engineering journal (MGTU im. N. Uh. Bauman). Electronic journal 2015. – No. 2. – URL: http://engbul.bmstu.ru/doc/756802.html (accessed 15.08.2016).
4. Goryachkin B. S. Scale for the assessment of the ergonomics of ways to display information // Science and education: scientific publication MGTU im. N. Uh. Bauman 2014. – No. 5. – URL: http://technomag.bmstu.ru/doc/711864.html (accessed 15.08.2016). DOI: 10.7463/0514.0711864.
5. Lomov B. F. Handbook of engineering psychology. – M.: Mashinostroenie, 1982. – 368 s.
6. The organization of human interaction with technical means of ACS: in 7 t. / under the editorship of V. N. Chetverikova. – M.: Higher school, 1990. – Vol. 7: System design of human interaction with the hardware / VM Gusov, A. V. Menkov, L. A. Solomon, V. A. Shigin. – 1990. – 142 s.
7. Fundamentals of engineering psychology / B Duchkov A. and others; ed. by B. F. Lomov. – M.: Higher school, 1986. – 448 s.