людинно-машинна взаємодія / лекции / Лекция №2

18

Лекция №2

Тема лекции: Обобщенная характеристика и структура интерфейса. Назначение и основные функции интерфейса. Основные принципы (концепции) создания систем взаимодействия с техническими системами интерфейсов.

1. Обобщенная характеристика и структура интерфейса.

Выполнение всех функций, возлагаемых на человека-оператора в автоматизированных системах управления, возможно при обеспечении соответствующих условий. Кратко они сводятся к следующим: наличие информации об управляемом объекте, наличие средств отображения этой информации, наличие причинной связи между действиями оператора и реакцией объекта на эти действия, возможность однозначной реализации управляющего воздействия, существование обратной связи и наличие цели управления.

Рис. 1 Обобщенная структура АСУ

АСУ является сложной системой, которую фактически можно разделить на три принципиально различных подсистемы (рис. 1): объект управления, аппаратно-программный комплекс системы управления и оперативный состав управления (человек).

Каждая из этих подсистем представляет собой достаточно замкнутую часть. Известно, что при проектировании сложной системы, представленной в виде композиции подсистем, между последними должны быть строго определены правила и средства взаимодействия. Границу, через которую осуществляется взаимодействие, принято называть интерфейсом.

Понятие интерфейс получило широкое распространение во всех отраслях жизнедеятельности человека. Здесь в первую очередь, понимается взаимодействие между объектами. В зависимости от области применения и функций, возложенных на интерфейс, изменяется его архитектура, что привело к тому, что на сегодняшний день практически отсутствует обобщенная модель построения интерфейса. В каждой конкретной области существует определенное количество специфических факторов, влияющих на законы построения интерфейсов. Для проектирования эффективных информационных систем необходимо выделить правила взаимодействия, и разработать концепцию проектирования интерфейсов.

Интерфейс (англ. interface – поверхность раздела, перегородка) – в самом обобщенном виде можно определить как совокупность средств, обеспечивающих взаимодействие элементов.

В зависимости от контекста, понятие применимо как отдельному элементу (интерфейс элемента), так и к связкам элементов (интерфейс сопряжения элементов). Этот термин используется практически во всех областях техники. Под интерфейсом понимают не только устройства, но и правила (протоколы) взаимодействия.

Интерфейс может быть описан тройкой

I=<X,Y,Q>,

где X – множество входных сигналов в систему. Множество сигналов среды не всегда соответствует множеству входных сигналов системы X_e ≠ X_s. Это означает, что система будет реагировать на входной сигнал, в соответствии со своими функциями, только если на ее вход будут поступать строго опеределенные сигналы X:

X = [x₀,x₁,…,x_i],

где x_i – входной сигнал системы.

Для трансляций сигналов из среды в систему необходим набор компонентов, который и будет являться входным интерфейсом. Он должен обеспечить приведение входных сигналов к форме, доступной для обработки системой.

Y – строго определенное множество выходных сигналов. При это оно должно быть подмножеством сигналов среды Y_S ⊂ Y_E:

Y = [y₀, y₁, … , y_i],

где y_i - выходной сигнал системы. Построение выходного интерфейса заключается в выборе средств преобразования выходных сигналов системы к сигналам среды.

Q - множество внутренних сигналов, которые формируются элементами системы при взаимодействии друг с другом. Данный набор определяет множество средств, необходимых для объединения компонентов системы. Q опеределяется множеством пар:

Q = <q_ij, w_ij>,

где j - номер элемента системы; i - номер сигнала элемента системы; q - выходной сигнал элемента системы; w - входной сигнал.

Интерфейс не только граница, через которую происходит взаимодействие двух (или более) сопрягаемых частей. Через интерфейс осуществляется связь между частями системы. Любая связь исполняется по определенным правилам (или, как говорят, на основе протокола). Наиболее удобным видом связи как между людьми, так и между аппаратно-программным комплексом АСУ и оперативным составом, или между подсистемами АСУ является двусторонний обмен, а не монолог. Двусторонний обмен – диалог – нельзя вести без процедурных правил. Поэтому в основу всякого взаимодействия человека с АПК АСУ (оператора с системой) должен быть заложен формальный протокол этого взаимодействия. Необходимо знать, какое взаимодействие осуществляется через границу (интерфейс). Интерфейс в таком определении соответствует (по аналогии) понятию «язык общения», т.е. соответствует конвенциональной знаковой системе, созданной на основе некоторых взаимных соглашений, в которой знаки (символы) выполняют коммуникативную, семантическую и прагматическую функции. Коммуникативная функция заключается в том, что сигналы (знаки) обладают способностью передавать информацию в достаточно полном объеме и достоверно. Семантическая функция соответствует способности знаков отображать свойства, качества объекта, сведения о котором они передают. Прагматическая функция – это выполнение знаками требования, чтобы сигнал (знак), участвующий в обмене, мог вызвать однозначное действие. Перечисленные функции не могут быть выполнены только на основе протокольных соглашений. Они должны быть обеспечены соответствующей аппаратной (технической) и алгоритмической (программной) поддержкой. Поэтому совокупность аппаратно-программных средств совместно с протоколами обмена, обеспечивающие взаимодействие двух сопрягающих частей будем называть интерфейсом взаимодействия, а применительно в АСУ - интерфейсом взаимодействия человека с техническими средствами АСУ.

Вводом понятия интерфейса взаимодействия человека с техническими средствами АСУ мы подчеркиваем не только комплексный характер взаимодействия человека-оператора с АПК АСУ, но и факт, не всегда очевидный и учитываемый при проектировании, главенствующего положения человека-оператора в системе управления, тогда как он действительно является субъектом управления. Интерфейс взаимодействия может быть структурно изображен в виде схемы, приведенной на рис. 2. Интерфейс взаимодействия – это совокупность аппаратно-программного комплекса интерфейса (АПК СОИ), средств отображения информации (СОИ), средств ввода управляющих воздействий (ВД – средства ведения диалога, ПУ – поле рабочих воздействий) и протоколов взаимодействия. Последние воплощены в виде правил, форм и форматов знаков, сообщений, на основе которых обеспечивается достоверная и надежная доставка сообщений между человеком-оператором и АПК СОИ.

Рис. 2. Структурная схема интерфейса взаимодействия человека с техническими средствами АСУ

В отличие от действий людей, напрямую связанных с управляемым объектом, когда человек-оператор на основе действенного поиска и переработки информации осуществляет управление объектом посредством сенсомоторных и сенсоперцептивных действий, человек-оператор в АСУ осуществляет те же действия опосредованно на основе восприятия объекта через информационную модель его и ввода управляющих воздействий через промежуточные элементы, расположенные на пульте управления. Таким образом взаимодействие человека-оператора АСУ с системой отображения и обработки информации происходит на следующих уровнях:

восприятие информации, предъявляемой на средствах отображения в виде информационных моделей объекта и проблемных ситуаций;

освоение информации, предъявляемой АПК АСУ в виде сообщений на вербальном уровне в процессе диалога при принятии решений;

контакт с полем управляющих воздействий при вводе последних в АПК АСУ;

формирование и ввод вербальных директив в АПК АСУ в процессе формирования управляющих решении;

физический контакт с техническими средствами сис­темы отображения и обработки информации, так как последние определяют рабочую среду, в которой функционирует человек-оператор (рабочее место оператора).

При проектировании систем управления, в которых функции управления осуществляются опосредованно по отношению к предметной области управления, существенное значение приобретают не физические характерис­тики предъявляемой человеку и обрабатываемой АПК информации, а ее функциональное значение, ее значимость в структуре деятельности. Следовательно, наиболее су­щественным фактором, определяющим успешность, про­дуктивность и безошибочность работы оператора в усло­виях опосредованной деятельности, является структура ее семантического поля, соответствие поля значений тех или иных потоков информации полю личностных смыслов оператора. Поэтому следует говорить об инженерно-пси­хологическом проектировании интерфейса взаимодейст­вия, основной принцип которого состоит в том, чтобы достичь соответствия средств и усилий труда физическим и психофизиологическим возможностям человека. Инже­нерно-психологическое проектирование средств отобра­жения и обработки информации, интерфейса взаимо­действия состоит в том, чтобы на основе комплексного учета физических и психофизи­ологических возможностей человека придать им свойства, обеспечивающие эффективное функционирование АСУ при минимальном расходе ресурсов человека (уровней физиологического и психологического напряжения, количества персонала, времени профессиональной подготовки и т. п.).

Инженерно-психологическое проектирование интер­фейса взаимодействия должно базироваться на следу­ющих принципах.

Принцип гуманизации труда подчеркивает ведущую, творческую роль человека в процессе труда и, в част­ности, в процессах формирования и принятия управленческих решений. Противоположный принцип — принцип симплификации (упрощения) — требует максимального упрощения деятельности оператора, превращая опера­тора в придаток системы.

Принцип активного оператора базируется на том, что оператор не просто перерабатывает информацию, прини­мает решения и манипулирует органами управления, но всегда имеет личное отношение к выполняемым действиям, активно стремится к цели.

Принцип проектирования деятельности заключается в том, что к проектированию технических устройств и, в частности, средств отображения информации нужно подходить как к средствам сознательной деятельности операторов.

Принцип последовательности требует, чтобы инженерно-психологическая поддержка проводилась в течении всего времени существования АСУ. То, что было первоначально хорошо, в дальнейшем становится плохим, так как оператор в процессе длительной работы создает новые стереотипы деятельности, по-новому выбирает наиболее нужные ему стимулы на информационных моделях.

И наконец, принцип комплексности. «Человеческие» проблемы многообразны и динамически меняют свое содержание с течением времени.

1. Основные концепции создания систем (средств) взаимодействия.

Взаимодействие человека с техническими средствами — важная об­ласть, требующая изучения.

Рассматривая различные области деятельности человека, можно предложить принципы (концепции) проектирования систем взаимодействия человека с техническими средствами.

Первый принцип — принцип включенности человека в контур управления — подразумевает наличие замкнутой цепи «объект управле­ния — технические средства управления — человек — объект управле­ния». Это значит, что, во-первых, человек является субъектом управле­ния, осуществляющим свои функции в условиях непрерывного взаимо­действия с техническими средствами, во-вторых, система взаимодейст­вия должна проектироваться не только с учетом условий обеспече­ния требований психофизиологических свойств человека, но и условий качественного функционирования контура управления в целом. Чело­век в контуре управления выполняет функции интегрирующего (объе­диняющего) звена, он придает системе управления способность адапти­роваться к изменяющимся условиям функционирования системы, явля­ется компонентом системы, осуществляющим ее саморазвитие.

Второй принцип — принцип иерархического структурирования. Рас­сматривая развитие процесса автоматизации и компьютеризации во времени, можно заметить, что по мере автоматизации наиболее легко формализуемых задач управления автоматизируются задачи все более и более высоких уровней управления. Так, локальные автоматизирован­ные системы управления входят в состав АСУ более высокого уровня. Решения, принимаемые в системах управления высокого уровня, явля­ются исходными данными для решений, принимаемых на нижнем уровне. При этом потоки управленческих решений оказываются не только нисходящими, но возникают и восходящие потоки, которые не только несут информацию о состоянии систем управления нижнего уровня, но и выдвигают встречные предложения по альтернативным вариантам решений, принимаемых на верхних уровнях управления. А это значит, что каждая система управления не может проектироваться изолированно, без учета ее функционирования во взаимосвязной системе кооперативно работающих АСУ. Требования к человеку участвующему непосредственно или опосредованно в процессе функци­онирования иерархической, часто территориально-распределенной сис­темы управления, различны в зависимости от уровня иерархии управ­ления. Можно отметить три уровня. Нижний уровень — непосредствен­ное управление объектом (орудием труда). В этом случае деятельность человека достаточно строго определена функционально. Управление обычно ведется по принципу оценки отклонений и выработки воздейст­вий для их уменьшения. Этот уровень соответствует деятельности опе­раторов в системах автоматического управления. Человек, осуществля­ющий деятельность такого вида, называется оператором, а следователь­но, система взаимодействия должна проектироваться с позиции удовлет­ворения деятельности человека-оператора. Второй уровень соответству­ет опосредованной деятельности управляющего состава системы управ­ления, осуществляющего выработку и принятие решений по управлению объектом через операторов нижнего уровня или путем выдачи исходных данных для систем автоматического управления, часто располагаемых на том же уровне системы управления. Это как бы уровень такти­ческого управления. Деятельность человека на этом уровне также про­текает в условиях ограниченного лимита времени, в динамике измене­ний условий и требований к качеству управления, и, кроме того, она часто осуществляется при наличии многих альтернативных вариантов возможного решения, из которых управляющий персонал (оперативный состав) системы управления должен выбрать наиболее целесообразный. Человека на­зывают и управленцем, и пользователем АСУ, и лицом, принимающим решение. Третий уровень — уровень высших ступеней иерархии управ­ления, которые вырабатывают стратегические решения, связанные с определяющими целями функционирования системы управления. Харак­терной особенностью этого уровня является решение и постановка но­вых задач управления, разработка принципов управления, анализ и прогнозирование поведения объекта управления и внешних воздействий на него, выработка критериев и целей управления. Эта деятельность осуществляется человеком также в условиях жестких ограничений на время принятия решений. Очевидно, что требования к средствам взаи­модействия человека с техническими средствами АСУ для этого уровня могут существенно отличаются от требований к системе взаимодействия операторов нижних уровней.

Третий принцип — концепция деятельностного подхода при проек­тировании средств взаимодействия человека с техническими средствами АСУ. Этот принцип фактически вытекает из первого и второго. Он заключается в том, что проектирование средств взаимодействия невоз­можно без одновременного, а часто предшествующего ему проектиро­вания деятельности человека в условиях автоматизации и компьюте­ризации процесса его функционирования в контуре управления. Целью этой концепции является проектирование деятельности человека-опе­ратора и разработка идущих от человека требований к средствам его деятельности. Проектирование деятельности человека в контуре управ­ления должно осуществляться в рамках системного подхода аналогич­но проектированию отдельных технических компонент и подсистем с тем лишь исключением, что оно должно быть первичным и учитывать профессиональное и, что особенно важно, творческое владение методами управления. Этот принцип ориентируется на создание программно-аппаратных средств, проблемно-ориентированных на организацию дея­тельности конкретного пользователя АСУ в условиях компьютеризи­рованной технологии управления. Он предполагает, что для пользова­теля АСУ должны создаваться условия и средства, благоприятные для самостоятельного оперативного конструирования его деятельности. Раз­работчик создает как бы «конструктор» (инструментальные средства), обеспечивающий реализацию элементарных действий, и специальные метасредства, помогающие пользователю АСУ работать с таким «кон­структором» и тем самым обеспечивать свою деятельность конкретными, персонифицированными комплексами программ, информационными бан­ками данных и знаний, персональными средствами поддержки при­нятия решений. Проектирование деятельности приводит к тому, что человек оказывается неотъемлемой частью сложной системы.

Развитие информационных технологий потребовало по-новому взглянуть на проблемы отоб­ражения и обработки информации в условиях все усложняющихся задач управления и интенсивности их решений. Прежде всего меня­ется характер деятельности операторов. Если раньше участие человека в работе АСУ рассматривалось лишь с позиции реализации, так назы­ваемой операционной деятельностью, при которой использовались уни­кальные психофизиологические свойства человека по визуальному восприятию информации, то сегодня ставится вопрос об эффективном использовании мыслительных способностей человека на уровне продук­тивного мышления, включая предвидение, интуицию, т.е. те способности человека, которые свойственны только ему как субъекту управления. Соответственно изменяются и требования к средствам взаимодействия его с техническими системами АСУ, в частности это включает их интеллектуализацию.

Комплексный характер решения задач управления, комплексный, системный характер проектирования средств взаимодействия потребо­вали введения концепции интерфейса взаимодействия человека с техни­ческими средствами АСУ. Интерфейс взаимодействия с техническими средствами представляет собой сочетание аппаратно-программного ком­плекса и протоколов взаимодействия. Аппаратно-программный комплекс интерфейса взаимодействия выполняет преобразование данных, цирку­лирующих в АСУ, в информационные модели, отображаемые на средства отображения информации, регенерацию и преобразование этих моделей, обеспечивает диалоговое взаимодействие человека с техни­ческими средствами, преобразовывает воздействия, поступающие от че­ловека-оператора, в данные, используемые системой управления, физи­чески реализует протоколы взаимодействия. Назначение протоколов сос­тоит в том, чтобы обеспечить механизм достоверной и надежной достав­ки сообщений между человеком-оператором и системой отображения информации, а следовательно, между человеком и системой управления. Задача проектирования интерфейса взаимодействия заключается не в том, чтобы «вписать» рационально человека в контур управления, а в том, чтобы, исходя из задач управления объектом, разработать систему взаимодействия двух равноправных партнеров (человек-оператор и ап­паратно-программный комплекс СУ), рационально управляющих объ­ектом управления.

2. Основные функции интерфейса

И еще раз напомним: под интерфейсом взаимодействия понимают совокупность соглашений о формах, способах, процессах, правилах (в частности, протоколах) взаимодействия человека с аппаратно-программным комплексом АСУ и средств (аппаратных, программных, информационных) поддержки этих соглашений.

Основным назначением интерфейса взаимодействия является обеспечение информацией человека для выполнения им функций Р(Ч), выдачи сведений человеку о выполнении системой функции Р(А) и поддержки динамического (интерактивного) взаимодействия при выполнении системой управления функций Р(ЧА). В связи с этим рассмотрим основные функции интерфейса взаимодействия.

Первой функцией интерфейса взаимодействия является рациональное распределение между партнерами операций Р, так как в процессе управления и человек, и ЭВМ могут успешно решать задачи управления, причем каждый из них имеет предпочтение в определенных проблемных ситуациях. Так, в условиях увеличения информационной емкости аналитических моделей решения задач управления используемые оптимизационные методы в операциях Р_S(А) не обеспечивают требуемого опережения производительности средств АПК АСУ по отношению к сложности объекта. Поэтому повышение результативности этих операций следует искать в различных формах человеко-машинного интерфейса.

Вторая функция интерфейса взаимодействия – предъявление человеку результатов выполнения операций Р_а в виде информационных моделей, форма, объем и информативность которых должны соответствовать целям выполняемого этапа динамического процесса управления и психофизиологическим возможностям человека в восприятии и переработке информации. Наиболее широкое распространение при административно-организационном управлении получила текстовая (буквенно-цифровая) информация как информационная модель управляемого объекта. Анализирующие операции Р_а в этом случае должны помогать человеку формировать правильное понимание текста, наиболее адекватно формировать у него концептуальную модель предметной среды объекта управления. Более естественными и более семантически емкими являются графические многоцветные модели представления топологических, метрических и физических свойств объектов управления. Выполнение человеком анализирующих операций усложняется тем, что он не всегда может оперативно выделить в отображаемых существенную определяющую совокупность свойств проблемной ситуации в силу несовершенства его рецепторного механизма или недостатка опыта.

Третьей функцией интерфейса взаимодействия является формальное получение оценок правильности принятых управляющих воздействий, построение логических заключений о целесообразности их ввода в систему управления, как результат анализа и синтеза, осуществленного человеком на основе оценки проблемной ситуации. Не следует путать эту функцию с оценочными операциями Р_о, выполняемыми человеком или аппаратно-программным комплексом АСУ для получения оценок каждого альтернативного варианта предполагаемого управленческого решения.

Четвертой функцией является организация взаимодействия человека с техническими средствами АСУ в терминах управления процессом выработки управляющего решения. Эта функция заключается в планировании процесса подготовки решения, т.е. в выработке последовательности действий, приводящих к результату оптимальным путем. Современные средства аппаратно-программной поддержки человека (управляющего персонала) в контуре управления могут содержать альтернативные средства, каждое из которых выполняет операции Р_S с различными технико-экономическими показателями (например, с различной точностью, за разное время реализации). Следовательно, для каждой проблемной ситуации можно выбрать наилучший инструмент (средство обоснования управленческого решения) и в результате сформировать оптимальный маршрут поиска управленческого решения.

Пятую особую функцию интерфейс взаимодействия должен выполнять в системах кооперативного управления, т.е. в системах, в которых управляющее воздействие на объект управления вырабатывается и утверждается коллективом людей (оперативным составом), выступающим в роли кооперативного субъекта управления. Это функция согласования альтернативных предложений членов коллективного органа управления, функция обеспечения взаимного обмена информацией между членами кооперативного органа управления.

Некоторые дополнительные функции носят вспомогательный, но не менее важный характер. Они позволяют улучшить качество управления, хотя непосредственно и не влияют на качество выработки альтернативных решений аппаратно-программным комплексом АСУ. Перечислим их.

В состав АПК АСУ часто вводятся операции комментирующего типа Р_k, выполнение которых представляет пользователю (оперативному составу) информацию справочного характера в виде инструкций, методик, результатов действий в типовых (штатных) ситуациях, т.е. информацию, непосредственно связанную с решаемой задачей в конкретный момент времени. Возложим на интерфейс дополнительные комментирующие функции (операции Р_kи), которые будут обеспечивать комментирование текущей проблемной ситуации на объекте управления и пояснять действия аппаратно-программного комплекса в естественной языковой, а возможно и в знаково-графической форме общения с пользователем, и, кроме того, выдавать по запросу пользователя сведения о деятельности оперативного состава в прошлых аналогичных проблемных ситуациях (отображать прошлый опыт). Реализация в интерфейсе взаимодействия Р_kи позволит интеллектуализировать рабочее место человека, осуществляющего управление, на основе использования формализованных знаний, хранящихся в системе автоматизированного управления, стать основой дальнейшего применения экспертных систем.

Дополнительной функцией (шестой) интерфейса взаимодействия является и функция взаимное обучение правилам автоматизированного управления, правилам выполнения автоматизированных информационных технологий. Она имеет два аспекта. В случае, когда система обладает бо́льшим объемом формализованных знаний, чем малоопытный пользователь, средства интерфейса взаимодействия должны реализовывать активную форму его обучения, сущность которого составляет комментирование на основе логического вывода фактов и правил принятия решений в различных проблемных ситуациях в процессе управления. Когда в контуре управления работает опытный оператор (администратор), творческие способности и знания которого превосходят возможности заложенных в АПК АСУ формализованных операций Р_а, Р_s, Р_r, то может быть осуществлен ввод новых, отсутствоваших ранее фрагментов знаний в систему. Эту функцию можно трактовать как обучение системы, как внесение в нее изменений, направленных на модернизацию (реорганизацию) накопленных в ней знаний. Управленческий состав АСУ выступает в этом случае в роли эксперта или когнитолога.