ПИ систем реального времени

7.3. ПОЛЬЗОВАТЕЛЬСКИЙ ИНТЕРФЕЙС СИСТЕМ РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ

Автоматизация процессов управления уходит своими корнями в глубокое про­шлое. Собственно, применение ЭВМ в качестве «управляющего органа» началось практически сразу, как только появилась техническая возможность сопрягать их с объектами, подлежащими управлению. Однако при этом ЭВМ (да и те, кто на них работал) продолжали жить в своем, «нереальном» мире, наполненном битами, бай­тами, плавающими запятыми и другими, непонятными нормальным людям катего­риями. Даже время в них измерялось по-своему: не днями, не часами, и даже не минутами, а совсем другими единицами - мили- микро- нано- и другими секунда­ми. Более того, во многих случаях интервалы между соседними событиями внутри ЭВМ выражались даже не этими псевдо-секундами, а числом тактовых импульсов, сформированных тактовым генератором. Тем не менее, ЭВМ, включенные в контур управления, вынуждены были синхронизировать свои действия с управляемыми объектами, работающими в реальном мире и, соответственно, в реальном времени. Чтобы отличать такие вычислительные системы от тех, которым реальный мир ос­тавался безразличен, их стали называть «системами реального времени» (СРВ). Одна из наиболее удачных на наш взгляд трактовок этого понятия приведена в [6]:

Система реального времени - это аппаратно-программный комплекс, реагирую­щий в течение предсказуемого времени на непредсказуемый поток внешних собы­тий». Данное определение требует некоторых пояснений. Во-первых, перечень ти­пов событий, на которые должна реагировать система, как правило, определяется на этапе ее создания; неизвестны «только» последовательность этих событий и момен­ты их возникновения. Во-вторых, система должна успеть отреагировать на произо­шедшее событие в течение времени, критичного для этого события (точнее, для управляемого объекта), и это время должно быть предсказано (вычислено) при создании системы. Отсутствие реакции в течение заданного (или допустимого) интервала считается ошибкой. В-третьих, поскольку на управляемых объектах мо­гут происходить два или более событий одновременно, должна быть задана при­оритетность каждого из них с точки зрения целевого предназначения системы. Различают СРВ двух типов:

• жесткого реального времени;

• мягкого реального времени.

Для систем жесткого реального времени недопустима задержка реакции ни при каких условиях, поскольку это может привести либо к катастрофическим последствиям, либо к тяжелым экономическим потерям (что, собственно, для потерявше­го равносильно катастрофе). К таким системам относятся, в частности, бортовые системы управления, системы военного назначения, системы аварийной защиты (например, на атомных электростанциях) и некоторые другие.

Для систем мягкого реального времени задержка менее критична, хотя и может привести к снижению качества управления. Например, задержка в оформлении авиабилетов за 10 минут до вылета вряд ли приведет к человеческим жертвам, но определенным образом повлияет на работу аэропорта.

Особый класс СРВ составляют так называемые системы диспетчерского управле­ния (или человеко-машинные системы - ЧМС), в которых одним из обязательных звеньев управления (а иногда и главным) является человек (диспетчер, оператор, или Лицо, Принимающее Решение - ЛПР). Качество работы такой системы в зна­чительной степени определяется тем, насколько адекватно воспринимает оператор поступающую информацию и насколько своевременно он на нее реагирует. Оче­видно, что при достаточном уровне подготовленности персонала основным факто­ром, влияющим на работу оператора, является качество организации его взаимо­действия с системой, то есть ее интерфейс. Вместе с тем, даже в случае принятия правильного решения оператор может допустить так называемую функциональную ошибку (нажать не ту клавишу, выбрать не ту команду) и т.д. Опасность функцио­нальных ошибок существенно возрастает в стрессовых ситуациях. Например, опыт американских военных летчиков показывает, что в условиях ведения боевых дей­ствий оказывается неэффективным использование меню.

В табл. 7.1. приведены численные значения вероятностей различных типов фун­кциональных ошибок. Если решаемая оператором задача требует выполнения це­почки операций, вероятности возможных ошибок складываются; суммарное значе­ние вероятности ошибки, превышающее 0,03, считается критическим [7].

Рекомендуемые материалы

Таблица 7.1.

Вероятности различных типов функциональных ошибок

Другими словами, качество работы СРВ зависит от формы представления ин­формации о текущей ситуации в системе и от доступных оператору средств воздей­ствия на исполнительные компоненты системы.

Таким образом, при разработке пользовательского интерфейса СРВ основное внимание должно быть уделено следующим вопросам:

1. Детальному проектированию сценария диалога с целью выбора оптимальных маршрутов перемещения оператора по дереву диалога, а также предотвращения ситуаций, которые могут потребовать перезапуска системы.

2. Реализации средств динамического изменения структуры диалога в зависи­мости от текущей ситуации, складывающейся в системе.

3. Тщательному выбору визуальных атрибутов отображаемой информации, в том числе выбору средств привлечения внимания пользователя (оператора).

При всем при этом должно обеспечиваться свойство естественности интерфей­са СРВ. Имеется в виду следующее. Во многих системах управления технологичес­кими процессами за годы их существования была сформирована оптимальная струк­тура средств индикации и контроля, а также соответствующая ей система условных обозначений, используемая на операторских пультах. При создании рабочих мест операторов учитывались результаты весьма глубоких эргономических исследова­нии. Поэтому при проектировании интерфейса автоматизированных рабочих мест (АРМ) на базе ПЭВМ целесообразно сохранить основную схему визуализации процессов, протекающих в данной системе управления. Неслучайно практически все инструментальные средства, предназначенные для разработки интерфейса сис­тем диспетчерского управления, содержат графические библиотеки, позволяющие воссоздавать на экране монитора мнемосхемы, идентичные использовавшимся на прежних пультах (рис. 7.4).

Рис. 7.4. Пример мнемосхемы технологического процесса, отображаемой на АРМ оператора

Такой подход позволяет использовать при работе оператора не только визуальные, но и другие (в первую очередь - звуковые) средства индикации и привлечения внимания.

Следуя основной концепции книги, в данном разделе мы более подробно рас­смотрим аспекты проектирования визуальных компонентов пользовательского ин­терфейса СРВ. Чтобы еще раз подчеркнуть их влияние на качество программного продукта в целом, приведем такой факт. В шведском стандарте на пользовательс­кий интерфейс систем управления электростанциями есть пункт, предусматриваю­щий, что требующая срочного внимания оператора информация должна сопровож­даться символом красного цвета, заметным не менее чем с двух метров от монитора. Если это требование не было выполнено, то при пропуске оператором аварийной ситуации ответственность за происшедшее автоматически возлагается на разработ­чика пользовательского интерфейса.

Дабы не оказаться в положении такого разработчика, при выборе визуальных атрибутов элементов интерфейса следует учитывать как требования имеющихся стандартов, так и физиологические особенности зрения оператора.

Прием визуальной информации содержит ряд элементарных процессов: обна­ружение, различение, опознание и декодирование. На выполнение этих процессов основное влияние оказывают следующие характеристики зрения оператора:

• яркостные

• пространственные

• временные

• цветового восприятия.

Все они в значительной степени зависят от размеров и свойств излучения объек­тов, отображаемых на экране.

Яркостные характеристики

Они определяют размер зоны видения светящегося объекта, а также скорость и безошибочность обработки светящейся информации.

Зрительное восприятие светящегося объекта возможно в диапазоне яркостей 10⁶... 10⁵ кандел/м². Яркость светящегося объекта может быть рассчитана по формуле В-К-0,251ln(а)+0.79, где К — степень ослепления (при К= 1 ...2 оператор испытывает дискомфорт, а при К=3...8 — болевые ощущения); а — угловой размер светящегося объекта (измеряется в градусах). Яркость, превышающая 15 • 10⁶, является слепящей.

Для обеспечения длительной зрительной работоспособности оператора яркость наблюдаемых на экране объектов не должна превышать 64 кд/м²; при этом перепад яркостей в поле зрения оператора должен быть не более 1:100. Наивысшая быстрота различения сложных объектов достигается при яркости 3 • 10⁵кд/м².

Необходимо также учитывать, что требуемая острота зрения при восприятии светлых объектов в 3-4 раза ниже чем, для темных; светлые объекты на темном фоне обнаруживаются легче, чем темные на светлом.

Пространственные характеристики

Данная группа характеристик влияет на обнаружение, различение и опознание объектов.

При решении практических задач необходимо учитывать следующие положения:

1. Основную информацию об объекте несет его контур; время различения и опоз­нания контура объекта увеличивается с увеличением его сложности.

2. При различении сложных контуров безошибочность выше, чем при различе­нии простых.

3. Решающее значение в восприятии формы объектов имеет соотношение «фи­гура/фон».

4. Минимальный размер объекта должен выбираться для заданных уровней кон­траста и яркости; уменьшение значений этих параметров требует увеличения угло­вых размеров объекта.

5. Для повышения вероятности различения с 0,5 до 0,98 требуется увеличение угловых размеров для простых фигур на 20...25%, а для знаков типа букв и цифр — в два раза.

6. Для различения положения фигуры относительно вертикальной или горизон­тальной оси пороговая величина обнаружения должна быть увеличена в 3 раза (порог обнаружения темного объекта на светлом фоне составляет 1 угловую секунду).

При наличии на экране движущихся объектов следует учитывать ряд дополни­тельных факторов. Например, при перемещении точечного объекта со скоростью 0,25 градус/с его непрерывное движение воспринимается как дискретное, при скорости 0,25...4 градус/с — как непрерывное, а при скорости более 4 градус/с изобра­жение сливается в сплошную полосу.

Полезно также помнить о том, что существует три вида кажущегося движения:

• восприятие перемещения сигнала из одного положения в другое при последо­вательном предъявлении двух идентичных сигналов от различных объектов;

• кажущееся изменение размеров объекта при последовательном появлении двух объектов, имеющих идентичные контуры;

• кажущееся изменение размеров объекта при изменении яркости самого объекта или фона.

Временные характеристики

Зрительное восприятие светящегося объекта формируется у человека-оператора с некоторой задержкой по отношению к началу действия зрительного раздражителя и его прекращению, что обусловливает ряд особенностей функционирования зрительного ана­лизатора. Эти особенности проявляются как при восприятии одиночных световых сиг­налов, так и их последовательности. Знание временных характеристик зрения позволяет обоснованно выбирать время экспозиции сигналов для обеспечения их минимальной различимости и временных интервалов предъявления сигналов в последовательности. Основные временные характеристик и зрительного восприятия приведены в табл. 7.2.

Таблица 7.2.

Временные характеристики зрения

Характеристики цветового восприятия

Цвета различаются тоном, светлотой и насыщенностью. Число различимых от­тенков цвета по всему спектру при яркости не менее 10 кд/м² и максимальной насы­щенности равно приблизительно 150. Различение степеней насыщенности колеб­лется от 4 (для желтого) до 25 (для красного). При изолированном предъявлении человек точно идентифицирует не более 10-12 цветовых тонов, а в комбинации с другими цветами - не более восьми.

Изменение яркости объекта влияет на восприятие его цвета. С уменьшением яркости от 180 до 0,5 кд/м² происходит уменьшение светлоты и постепенное обесцвечивание желтого и синего цветов, а спектр становится трехцветным: красно-зелено-фиолетовым.

Восприятие цвета зависит также от угловых размеров объекта: с уменьшением размера изменяется видимая яркость и искажается цветность. Наибольшему изме­нению подвержены желтый и синий цвета.

Для систем реального времени основным критерием выбора цветов отображае­мых на экране символов и сообщений является острота различения. Она макси­мальна для символов белого цвета и минимальна для символов, имеющих крайние цвета спектра. Хотя белый цвет наиболее прост в применении и его часто использу­ют, наилучшим в этом отношении является желто-зеленый цвет, который по насы­щенности мало отличается от белого, но имеет максимальную видность; красный, фиолетовый и синий цвета не рекомендуется использовать для отображения сим­волов или объектов сложной конфигурации.

При согласовании цветов символов и фона следует учитывать, что восприятие символов максимально для контрастных цветов (т.е. относящимся к противоположным границам спектра). При контрастности менее 60% читаемость символов резко ухудшается. Установлены следующие допустимые комбинации цвета симво­ла с цветом фона (в порядке убывания четкости восприятия):

• синий на белом

• черный на желтом

• зеленый на белом

• черный на белом (только четвертое место!)

• белый на синем

• зеленый на красном

• красный на желтом

• красный на белом

• оранжевый на черном

• черный на пурпурном

• оранжевый на белом

• красный на зеленом.

При одновременном поступлении двух или нескольких сигналов (сообщений) на их восприятие оператором влияют следующие факторы: избирательность вни­мания, абсолютная и относительная интенсивность сигналов, взаимное расположение на экране, степень синхронности сигналов, объем поступающей информации и скорость ее поступления.

Наряду с рассмотренными выше характеристиками важное значение для эффективной работы оператора имеет способ передачи смыслового содержания ото­бражаемой на экране информации. Этот способ может базироваться на использо­вании одного из четырех типов знаковых систем (или их комбинации):

• буквенной

• пиктографической

• цифровой

• геометрической.

При выборе знаковой системы следует учитывать:

1. Легкость опознания и декодирования знаков.

2. Требуемую длительность безошибочной работы оператора, в том числе в ус­ловиях стресса.

3. Уровень помехоустойчивости системы.

4. Скорость запоминания и длительность сохранения алфавита знаковой систе­мы в оперативной и долговременной памяти оператора.

В качестве интегральной характеристики знаковой системы может исполь­зоваться коэффициент оперативности кода [8], К , представляющий собой отношение времени опознания символа (знака) к времени его декодирования. Значения этого показателя для перечисленных выше систем приведе­ны в табл. 7.3.

Таблица 7.3.

Значения коэффициента оперативности кода

Из приведенных данных можно, в частности, сделать вывод, что в стрессовых ситуациях числа до трехразрядных включительно целесообразно представлять на экране в текстовой форме (то есть словами). Вместе с тем, основные свойства объекта или описание требуемых действий эффективнее отобразить в виде пиктограммы. Так, фразу «переслать сообщение на вышестоящий уровень» лучше заменить соот­ветствующей пиктограммой.

Однако, как уже отмечалось в главе 4, пиктограмма пиктограмме рознь. Попробуйте, например, самостоятельно определить (или вспомнить) смысл приведенных на рис. 7.5 пиктограмм, взятых из одного весьма популярного приложения.

Рис. 7.5. Пиктограммы — «загадки»

Экспериментально доказано [8], что наиболее значимые характеристики объек­та должны кодироваться (отображаться) его контуром, а внутренними деталями -вспомогательные, второстепенные. При этом система опознавательных признаков формы знака, выбранная для определенных характеристик объекта, должна приме­няться для всего алфавита знаковой системы.

Количественные оценки влияния геометрического контура пиктограммы на эффективность ее распознавания даны в табл. 7.4.

При разработке знаковой системы следует учитывать, что симметричные сим­волы легче усваиваются человеком-оператором и более прочно сохраняются в крат­ковременной и долгосрочной памяти.

В качестве различительных признаков знаков в пределах одного алфавита не рекомендуется использовать:

• Число элементов в знаке;

• Геометрические размеры знака (по крайней мере, более двух вариантов);

• Отличие знаков по принципу «позитив-негатив» и «прямое-зеркальное от­ражение».

Таблица 7.4.

Влияние геометрической сложности знака на его декодирование

И в завершение еще один фактор, упоминавшийся в предыдущих главах - коли­чество интерактивных элементов, одновременно отображаемых на экране. Есте­ственно, на эффективность работы с ними влияют и зрительные характеристики оператора, и качество используемой знаковой системы. Тем не менее при выборе нужного элемента сказывается еще одна характеристика оператора - сенсомоторная. В качестве примера в таблице 7.5 приведены достаточно усредненные значения безошибочности (Рв) и времени (Тв) выбора требуемого элемента в зависимости от числа имеющихся.

Таблица 7.5.

Обобщенные показатели сенсомоторной характеристики оператора

Важным фактором, влияющим на эффективность работы оператора, является поддержание всех его «подсистем» на требуемом уровне готовности в течение дос­таточно длительного времени. В связи с этим дополнительно к рассмотренным должны быть решены две взаимосвязанные проблемы: предотвращение как «сенсорного голода», так и чрезмерной сенсорной перегрузки оператора.

Для борьбы с перегрузкой достаточно учитывать те общие рекомендации по размещению информации на экране, которые были приведены в главе 2, а также характеристики зрения оператора, рассмотренные выше.

«Сенсорный голод» может быть обусловлен чрезмерным искусственным сниже­нием динамичности отображения текущей ситуации на экране, а также свето- и зву­коизоляцией рабочих мест. В связи с этим для предотвращения «сенсорного голода» должна быть введена определенная избыточность представленной на экране инфор­мации по сравнению с минимально необходимой. Например, на экране могут появ­ляться сообщения, требующие той или иной реакции оператора, но реально не влия­ющие на процесс управления. Другой способ борьбы с «сенсорным голодом» основан на использовании нескольких форм представления информации (т.е. на применении мультимедийных технологий); речь идет в первую очередь о дополнении визуальной информации звуковым сопровождением. И хотя круг рассматриваемых в книге воп­росов умышленно ограничен визуальной компонентой пользовательского интерфей­са, в данном случае из этого круга необходимо ненадолго выйти. Объясняется это тем, что полимодальная организация предоставляемой оператору информации по­зволяет решить сразу несколько проблем. Во-первых, как было сказано выше, уто­лить его «сенсорный голод». Во-вторых, при дублировании информации по несколь­ким сенсорным каналам сокращается время реакции оператора. В-третьих, такой подход позволяет увеличить объем одновременно принимаемой информации. И, на­конец, привлечение дополнительных сенсорных каналов позволяет разгрузить тот, по которому информация поступает наиболее интенсивно.

Вместе с тем, применение мультимедийных технологий значительно усложняет интерфейс, что требует при его проектировании решения дополнительных задач. Основная из них - согласование информации, поступающей по разным каналам, по времени и по содержанию. При несоблюдении этого условия эффект от полимодальности окажется прямо противоположным ожидаемому. При одновременном поступлении нескольких сигналов, требующих выполнения различных действий, время реакции оператора увеличивается; практически неизбежна также информа­ционная перегрузка оператора и, как следствие, — его повышенная утомляемость.

В системах реального времени участие оператора в процессе управления прояв­ляется главным образом при возникновении нештатных, аварийных или критичес­ких ситуаций. Вместе с тем, именно такие ситуации вызывают у человека диском­фортное или даже стрессовое состояние. В связи с этим особое значение для СРВ имеет проблема реализации средств поддержки пользователя. Очевидно, ведущую роль здесь должна играть контекстно-зависимая помощь и помощь, определяемая заданием. При этом целесообразно предусмотреть два способа предоставления по­мощи: по запросу оператора и автоматически, например, по истечении некоторого допустимого времени ожидания реакции оператора на возникшую ситуацию.

С тех же позиций следует рассматривать и возможность документирования действий оператора. Практика показывает, что для полноценного анализа действий опе­ратора требуется не только регистрировать перечень выполнявшихся команд и значе­ния регулируемых параметров, но и формировать снимки экрана в соответствующие моменты времени. При реализации такой возможности необходимо учитывать тех­нические характеристики средств вывода (принтеров). Если для экспресс-анализа используется черно-белая печать, то это накладывает дополнительные ограничения па выбор цветовой палитры экрана и отображаемой на нем информации.

В связи с повышенными требованиями, предъявляемыми к надежности и быстродействию систем реального времени, при их создании значительно возрастает роль этапа макетирования пользовательского интерфейса и его согласования с по­тенциальными пользователями.

Завершая обсуждение проблем, связанных с проектированием и реализацией пользовательского интерфейса в конкретных предметных областях, еще раз напомним, что выбранные области относятся, на первый взгляд, к противоположным гра­ницам спектра. В связи с этим приведем рекомендации по разработке Web-узлов редактора электронного журнала Corporate Internet Strategies ПитаЛошина [10]:

1. Использовать графику только там, где она будет нести реальную смысловую нагрузку;

Вам также может быть полезна лекция "1.1 Основные понятия".

2. Использовать текст вместо графики где только возможно (для ускорения заг­рузки страниц);

3. Использовать фреймы, таблицы и другие элементы структурной организации содержимого;

4. Использовать одни и те же компоненты на разных страницах для сокращения времени их загрузки;

5. Размещать наиболее важную информацию в самых доступных местах сайта;

6. Содержимое сайта должно быть действительно полезным для посетителя. Отдельная группа рекомендаций связана с использованием Интернета в каче­стве источника информации о биржевых котировках. В этом случае для работаю­щих в сети брокеров счет времени идет на секунды, а Интернет выступает в роли самой настоящей системы жесткого реального времени. Как говорится, комментарии излишни...