Содержание к диссертации
Введение
1 Современное состояние проблемы оценки человеко-машинного интерфейса 12
1.1 Обзор работ по теме 12
1.2 Анализ существующих методов проектирования интерфейсов 14
1.3 Проблемы оценки интерфейса компьютерной тренажерной системы 19
1.5 Требования к пользовательскому интерфейсу 29
1.6 Анализ интерфейсов на мнемосхемах 33
1.7 Анализ существующих методов оценки интерфейсов 40
1.8 Постановка задачи исследования 44
Выводы 44
2. Разработка системы повышения качества человеко-машинного интерфейса 45
2.1 Разработка системы оценок пользовательского интерфейса 45
2.1.1 Оценка эмоциональной составляющей 47
2.1.2 Оценка распознаваемости элементов управления 52
Информационная емкость СОИ 54
Психофизиологические требования к системам отображения информации 60
Эргономические характеристики систем отображения информации 64
2.2 Оценка факторов оказывающих влияние на качество интерфейса .68
2.3 Раскрашенные (цветные) сети Петри (РСП) 75
2.4 Обучение нейронной сети 81
Описание алгоритма 82
Недостатки алгоритма 85
Паралич сети 85
Локальные минимумы 86
Размер шага 86
Выводы 87
3. Экспериментальное исследование 88
3.1 Методы оценки интерфейса 88
3.1.1. Экспертные оценки 88
3.1.2. Юзабилити-тестирование 92
3.2. Экспериментальное исследование 94
Выводы 98
4 Методы и средства программной реализации системы повышения качества интерфейса компьютерных тренажерных систем 100
4.2 Выбор средств межпроцессной коммуникации 101
4.3 Выбор программно-аппаратной платформы 104
4.4 Выбор среды разработки ПО 106
4.5 Разработка библиотеки классов 111
Выводы 113
Выводы и результаты работы 114
Список использованной литературы 115
Приложение А. Акт о внедрении 125
- Проблемы оценки интерфейса компьютерной тренажерной системы
- Психофизиологические требования к системам отображения информации
- Раскрашенные (цветные) сети Петри (РСП)
- Выбор средств межпроцессной коммуникации
Введение к работе
Актуальность темы. Разработка и реализация современных методов оценки качества интерфейса управления в любых человеко- машинных системах - это фактор, определяющий защищенность персонала, а также надежность, радиационную и экологическую безопасность технологических объектов.
Произошедшие техногенные катастрофы национального и транснационального масштаба на радиационно-опасных объектах привлекли внимание научных кругов к вопросу о регламентации систем подготовки и тренировки персонала. В первую очередь это касается оценки человеко-машинных интерфейсов тренажеров для предприятий госкорпорации «Росатом».
Основное требование к интерфейсу тренажера является максимально быстрое распознавание опасной ситуации и принятие решения, т.е. конструкция и расположение средств отображения информации, предупреждающих о возникновении опасных ситуаций, должны обеспечивать безошибочное, достоверное и быстрое восприятие информации, особенно в условиях монотонной деятельности [7, 8, 9].
Цели и задачи исследования. Целью работы является совершенствование методов оценки человеко-машинного интерфейса тренажеров управления технологическими процессами.
Поставленная цель предполагает решение следующих основных задач:
- определение факторов оказывающих влияние на качество человеко- машинных интерфейсов (далее интерфейсов) тренажеров радиационно-опасных технологических процессов;
- разработка метода оценки интерфейсов на мнемосхемах;
- разработка программного комплекса оценки интерфейсов . на мнемосхемах.
Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, выводов, заключения, библиографии (127 наименований) и приложений. Изложена на 132 страницах машинописного текста, содержит 22 рисунка и 2 таблицы.
В первом разделе проведен обзор существующих методов оценки качества интерфейсов. Методы определения показателей качества интерфейса различаются:
- по способам получения информации - измерительный, регистрационный, органолептический, расчетный;
- по источникам получения информации - экспертный, юзабилити тестирование персонала.
Проведено исследование работ, которые велись в данном направлении, а также нерешенные проблемы оценки человеко-машинных интерфейсов.
В работах остается не решенным вопрос комплексной автоматизированной качественной оценки интерфейса, не рассматривается проблема разработки тренажеров для опасных технологических процессов.
В ряде работ не учтена специфика интерфейсов ТП, базирующихся на мнемосхемах. Так, работы [3, 20], рассматривают графические методы и модели, которые не могут быть использованы в опасных ТП, а также не учитывают ряд субъективных факторов, влияющих на пользователя.
Кроме того, есть работы, которые рассматривают разработку специализированных тренажеров, либо рассматривают вопросы проектирования стандартного оконного интерфейса [4, 5].
Для решения поставленных задач был разработан метод оценки качества интерфейса тренажера управления опасными технологическими процессами, а также определенны понятие качества интерфейса и параметры человеко-машинного интерфейса, характерные для тренажера управления опасными технологическими процессами, а именно количество человеческих ошибок, субъективное удовлетворение пользователей, способность сохранения пользователями навыков работы с системой в течение длительного времени [10].
В основу метода положен принцип настройки интерфейса в зависимости от персонала рабочей смены. В качестве основного интерфейса понимается интерфейс, основанный на мнемосхемах.
Во втором разделе разработаны методы оценки качества человеко- машинных интерфейсов тренажеров управления опасными технологическими процессами.
В основе метода оценки качества тренажерной системы используется метод юзабилити тестирования, и оценка цветового решения на основании серии тестов.
Оценка эмоциональной составляющей и оценка удовлетворенности являются в большей степени субъективными, и могут быть получены с помощью экспертов или с помощью пользователей.
Для автоматизации процесса оценки применен механизм нейронных - - сетей, а именно персептрона. Используется метод аналогичный одному из методов распознавания образов, а именно классификация изображений [127, 123, 121].
Проведен анализ параметров элементов управления, оказывающих наибольшее влияние на качество интерфейса на мнемосхемах. Для оценки этих параметров предлагается совместное использование механизмов разновидностей сетей Петри и нейронных сетей.
Для настройки сети необходимо провести серию тестов, с различными параметрами интерфейса. Настроенная нейронная сеть представляет собой модель действий пользователя, в зависимости от параметров элементов управления, и в дальнейшем используется для автоматизированной оценки качества интерфейса компьютерной тренажерной системы без привлечения механизмов тестирования. Собранная статистика позволяет провести комплексную оценку интерфейса и предложить рекомендации по качественному изменению параметров для каждой конкретной смены персонала.
Для настройки весовых коэффициентов используется рекурсивный алгоритм, который сначала применяется к выходным нейронам сети, а затем проходит сеть в обратном направлении до первого слоя
В третьем разделе проведена экспериментальная оценка предложенного метода повышения качества компьютерных тренажерных систем.
Было проведено сравнение предложенного метода и метода юзабилити тестирования, а также сравнение с экспертными оценками. Учитывалось число найденных недостатков интерфейса, а также число сессий, которые понадобились для их обнаружения. Результаты тестирования показали, что метод юзабилити тестирования обнаруживает 3 основных недостатка интерфейса за 110 сессий (период времени, за который конкретный испытуемый выполнит серию тестов для конкретного интерфейса).
Предложенный метод автоматизированной проверки обнаружил 5 основных недостатков в параметрах интерфейса (размер, цвет, яркость и частоту мерцания, а также влияние стресса).
При проведении юзабилити тестирования учитывается большое количество субъективных факторов, не оказывающих значительное влияние на качество интерфейса, использование предложенного метода позволяет объективно оценивать интерфейс, на основе наиболее значимых параметров.
На основании проведенных экспериментальных исследованиях был сделан вывод о том, что применение предложенного метода позволяет объективно оценивать качество человеко-машинного интерфейса.
В четвертом разделе описаны методы и способы программной реализации системы повышения качества интерфейса реализованного в виде программного комплексе «Нейросетевой редактор интерфейса».
Апробация программного комплекса производилась на базе существующей автоматизированной системы управления технологическим процессом переработки радиоактивных отходов методом прессования на установке «Суперкомпактор». Нейросетевой редактор интерфейса использовался для создания компьютерного тренажерного комплекса.
. . Нейросетевой редактор интерфейса может работать в режиме обучения, когда информация от результатов работы персонала идет на настройку нейронных сетей или в режиме оценки, когда интерфейс оценивается без участия персонала, а после того, как будет достигнуто необходимое качество интерфейса, комплекс можно использовать как тренажер для аттестации персонала.
В заключении диссертации приведены основные результаты и выводы.
Методы исследований. Научные положения, выводы и рекомендации обоснованы теоретически с использованием понятий и методов математического анализа, теории вероятностей, структурного анализа, современных методологий построения программных комплексов, теории нейронных сетей, теории автоматов, методов интеллектуального анализа данных, систем и системного программирования, а также с помощью разработанных в диссертационной работе методик оценки эффективности человеко-машинных интерфейсов.
Научная новизна исследования. Научную новизну диссертационной работы можно сформулировать следующим образом: - предложена модель сети, на основе нейронной сети и сети Петри.
- предложен метод оценки качества интерфейса, позволяющего совместить достоинства экспертных и статистических методов оценок и стандартизировать сам процесс оценки.
- разработана система повышения качества интерфейса на мнемосхемах компьютерных тренажерных систем. Практическая значимость результатов исследования и их внедрения в практику состоит в разработке программного комплекса, который позволил одновременно совместить процесс создания и тестирования, позволив избежать зависимости от конкретной среды разработки интерфейса. Программный комплекс внедрен на российском предприятии ООО «Альянс-Гамма». На разработанную программу «нейросетевой редактор человеко-машинного интерфейса» в Федеральной службе по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам получено Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2009613812.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на: XII международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения, информатики и экономики» (Сочи, 2009), научно-практической интернет- конференции «Актуальные вопросы современной науки и образования» (Красноярск, 2010).
Основные результаты диссертационной работы изложены в семи публикациях:
1. Сухов А. А. Обзор метода создания и оценки эффективности человеко-машинного интерфейса тренажеров управления опасным технологическим процессом. // Научные труды XII международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения, информатики и экономики. Информатика» -М.: МГУПИ, 2009. С.152-156.
2. Сухов А. А. Обзор метода оценки эмоциональной составляющей интерфейса, на основе нейронных сетей.// Программное и информационное обеспечение систем различного назначения на базе персональных ЭВМ: Межвузовский сборник научных трудов. Вып. 12. / Под ред. Михайлова Б.М. -М.: МГУПИ, 2009. С.104-108.
3. Сухов А. А. Распределенный метод проектирования и создания пользовательского интерфейса. // Программное и информационное обеспечение систем различного назначения на базе персональных ЭВМ: Межвузовский сборник научных трудов. Вып. 12. / Под ред. Михайлова Б.М. - М.: МГУПИ, 2006. С. 108-112.
4. Сухов А. А. Проблема человеко-машинного интерфейса в информационных системах. // Научно-технические ведомости СПбГПУ. №5. - СПб.: СПбГПУ, 2009. С. 18-23.
5. Сухов А. А. Оценка эмоциональной составляющей интерфейсов тренажеров. // Научно-технические ведомости СПбГПУ. №5. - СПб.: СПбГПУ, 2009. С.140-145.
6. Сухов А. А. Критерии качества человеко-машинного интерфейса компьютерных тренажерных систем // В мире научных открытий. №1. -Кр.: Научно-инновационный центр, 2010. С.188-190.
7. Сухов А. А. Система повышения качества человеко-машинного интерфейса компьютерных тренажерных систем. // В мире научных / открытий. №1. - Кр.: Научно-инновационный центр, 2010. С.190- 193.
Проблемы оценки интерфейса компьютерной тренажерной системы
В то время, когда проблема программирования интерфейса отошла на второй план (благодаря мощным Б С АО А-техно логиям), проблемы, возникающие в связи со слабым учётом человеческого фактора (ЧФ), зачастую выходят на первый план [12].
Это происходит отчасти из-за того, что человек-оператор является самым слабым звеном в процессе управления производством, отчасти из- за слабой эргономической культуры проектировщиков.
Инженер-проектировщик, пользуясь ТЗ и техническими спецификациями, с помощью средств 8САГ)А-системы «собирает» интерфейс. Основной своей задачей инженер считает полностью обеспечить оператора набором функциональных возможностей, предписанных проектными спецификациями. Из одних и тех же «интерфейсных кубиков» можно собирать различные пользовательские интерфейсы с одинаковой функциональностью. Чем руководствуется инженер, разрабатывая ПИ? Как правило, зачастую лишь собственным опытом и знаниями. Иногда инженер применяет первое попавшееся проектное решение (интерфейсное) и оставляет его в таком виде до тех пор, пока не возникнут серьёзные нарекания. Иногда инженер из лучших побуждений просто «копирует» интерфейсные решения из аналогов или старых прототипов АРМ. Так размножаются грубые эргономические ошибки.
Проектирование ЧМИ превратилось в самостоятельную проблему, зачастую превосходящую по сложности проблему разработки кодов программы, и требует, как и процесс проектирования любой сложной системы, соответствующих методов, средств, и, естественно, усилий квалифицированных специалистов. Само применение термина "человеко- машинный интерфейс" представляет собой попытку разработчиков программного обеспечения отделить, по крайней мере, концептуально, функциональное назначение программных продуктов от проблем, связанных с организацией взаимодействия пользователя с этими продуктами.
Современные подходы к проектированию ЧМИ базируются на определенной методологической основе, которая выделяет три ключевые проблемы организации процесса проектирования ЧМИ: - идентификация информации, необходимой для проектирования; - определение и структурирование собственно процесса проектирования; - цели и порядок проведения эргономической экспертизы. Ключевыми вопросами, требующими доработки, являются именно процесс проведения эргономической и качественной экспертизы. Необходимо отметить, что в современных средствах разработки приложений практически не автоматизирован процесс комплексного тестирования и оценки параметров качества пользовательского интерфейса.
Среди существующих методов [16, 17] доминируют неформальные подходы, при этом значителен субъективизм оценок; общей является попытка выделить (с помощью обширного тестирования пользователями и самих пользователей) общие, типовые характеристики присущие качественным интерфейсам и на их основе создать методику оценки эффективности графического пользовательского интерфейса. Как правило, существующие методики рассматривают какой-то один аспект оценки эффективности графического пользовательского интерфейса, выделяя при этом единственный наиболее значимый критерий. Как показал анализ, инструментальные средства, в большинстве своем, ориентированы на автоматизацию процесса создания программного обеспечения, а вопрос оценки эффективности созданных программ не рассматривается. Однако на процесс проектирования ЧМИ большое влияние оказывают субъективные представления проектировщика о понятности и удобстве пользовательского интерфейса. В связи с этим весьма актуальной становится проблема достоверной оценки качества ЧМИ и создания формального аппарата адекватных методик и моделей, которые позволят выполнить такую оценку.
Рассмотренные проблемы показывают, что исследование вопросов качественной оценки человеко-машинного интерфейса в настоящее время представляется актуальным.
Наиболее широко в обучении персонал применяются компьютерные тренажеры, имитирующие технологический процесс. Согласно указанным документам [9,10] тренажер определяется как техническое средство профессиональной подготовки человека-оператора, предназначенное для формирования и совершенствования у обучаемых профессиональных навыков и умений, необходимых им для управления материальным объектом, путем многократного выполнения обучаемыми действий, свойственных управлению реальным объектом.
Тренажер должен состоять из ряда обязательных элементов: - рабочих мест операторов; - моделирующего устройства; - рабочего места инструктора; - устройства контроля и оценки действий оператора. Рабочее место оператора - это часть пространства в системе "человек - машина", где осуществляется производственная деятельность оператора. В тренажере рабочее место оператора - это пульт, за которым он выполняет свои функции, в виде копии реального пульта со всеми органами управления и средствами отображения информации, которыми оператор пользуется при управлении реальным объектом, или же, компьютерный интерфейс, потому что сегодня все чаще для управления автоматизированным процессом используется именно компьютер.
Таким образом, воспроизводимые в тренажере информационное и моторное поля оператора, должны быть по конструкции и содержанию идентичными информационному и моторному полям реальной установки. Этот принцип основан на психологических требованиях и исключает возможность переноса отрицательных навыков при переходе операторов к управлению реальной установкой. Поэтому пульт и щит управления в тренажере по своему внешнему виду, расположению и конструкции индикаторов, приборов и органов управления должны в точности соответствовать пульту и щиту реальной установки.
Психофизиологические требования к системам отображения информации
По функциям операторов, работающих с мнемосхемами, последние разделяются на операторские и диспетчерские. К первым относятся мнемосхемы, отображающие, как правило, единый пространственно сосредоточенный технологический комплекс, тогда как вторые отображают рассредоточенную систему, включающую в себя разнообразные технологические комплексы, объекты, агрегаты. Операторские и диспетчерские мнемосхемы существенно различаются степенью детализации и подробностью отображения отдельных объектов контроля и управления.
В зависимости от того, выполняет оператор какие-либо переключения непосредственно на мнемосхеме или она является чисто осведомительным информационным устройством, операторские мнемосхемы подразделяются на оперативные и неоперативные, а диспетчерские - на световые и мимические. Оперативные мнемосхемы наряду с различными устройствами отображения, приборами, изобразительными и сигнальными элементами имеют органы управления индивидуального или вызывного типа, а мимические - ручные переключатели для снятия сигналов и приведения отображения состояния объекта на мнемосхеме в соответствие с его реальным состоянием.
Мнемосхемы, у которых каждый информационный элемент связан только с одним датчиком, т.е. участки схемы постоянно подключены к одним и тем же управляемым объектам, называют индивидуальными или однообъектными. Мнемосхемы, у которых участки могут периодически или по необходимости подключаться к нескольким объектам, имеющим одинаковую структуру, называются вызывными или избирательными (многообъектными). В вызывных мнемосхемах могут подключаться либо тот или иной объект, либо тот или иной датчик одного объекта. С помощью вызывной мнемосхемы можно значительно сократить размеры панели, сэкономить в приборах и СОИ, облегчить условия работы оператора за счет уменьшения поля зрения и упрощения схемы.
Мнемосхема, на которой постоянно отображается одна и та же схема объекта, называется постоянной. В сменных мнемосхемах изображение в процессе работы может существенно изменяться в зависимости от режимов работы объекта (пусковая схема, схема нормальной работы, аварийная схема и т.д.).
Мнемосхемы могут располагаться на отдельных панелях, на надстройке к приборному щиту, на приставке к пульту или на рабочей панели пульта. Информация на схеме может выдаваться в аналоговой, аналого-дискретной и дискретной форме. По выполнению условных обозначений объекта, агрегата, технологической линии и другого оборудования мнемосхемы подразделяют на плоские, рельефные и объемные, по способу кодирования [28, 29] - на условные и символические. Условные знаки не имеют никакого внешнего сходства и не создают зрительных ассоциаций с отображаемыми объектами и явлениями. Примерами условных знаков и символов являются соответственно графические обозначения параметров (вариант А) и мнемосимволы (вариант Б), представленные на рисунке 1.3.
Изначально элементы изображения выполнялись рисованными, нанесенными фотоспособом, накладными; индикация реализуется с помощью электролюминесцентных элементов, газоразрядных приборов, ламп накаливания, электронно-лучевых трубок и т.д. [35, 36, 37] последние годы для воспроизведения мнемосхем применяют дисплеи на ЭЛТ. Использование таких устройств особенно целесообразно в случае, когда объект имеет сложную, разветвленную структуру, когда технологический процесс часто меняется и необходим набор мнемосхем. На экране ЭЛТ может отображаться укрупненная мнемосхема всей системы, мнемосхемы отдельных комплексов, объектов и процессов, мнемосхемы отдельных узлов и т.д. Нужные мнемосхемы отображаются по вызову оператора или по сигналам ЭВМ [40].
При разработке мнемосхем важен оптимальный выбор форм используемых символов. По форме символы должны представлять собой замкнутый контур. Вспомогательные элементы и линии не должны пересекать контур символа или каким-либо другим способом затруднять чтение.
Повышенные требования должны предъявляться к символам, сигнализирующим функциональное (особенное аварийное) состояние отдельных агрегатов или объектов.
Сигнализаций того, что данный объект включен (работает), должен служить, как правило, зеленый цвет, не работает (отключен) - красный. Смене состояния должен соответствовать прерывистый световой сигнал того цвета, которым обозначается новое состояние агрегата. Например, если работающий агрегат останавливается, то зеленый цвет должен смениться красным прерывистым. Частота мигания должна составлять 38 Гц с длительностью свечения не менее 0,05 с. Сигналы о смене состояния агрегатов должны отключаться самим диспетчером [44, 45, 50].
Соединительные линии на мнемосхеме должны быть прямыми и сплошными. При компоновке мнемосхемы необходимо стремиться, чтобы соединительные линии были возможно короче и имели наименьшее число пересечений.
При работе с мнемосхемами, имеющими значительные размеры и множество объектов различных цветов и яркостей, зрительная система оператора подвергается большой нагрузке. Поэтому не допускается использование в большом количестве цветов, которые быстро утомляют глаз - красного, фиолетового, пурпурного. В качестве фона мнемосхем рекомендуется применять малонасыщенные цвета средней частоты спектра. Для оценки мнемосхем используются: - коэффициент информативности - отношение числа пассивных элементов и активных; - коэффициент заполнения поля - отношение числа пассивных элементов мнемосхем к общему числу элементов мнемосхемы.
Раскрашенные (цветные) сети Петри (РСП)
Основные характеристики средств воспроизведения и отображения информации Любой человеко-машинный интерфейс характеризуются рядом параметров, которые можно объединить в 4 группы: - информационно-технические - характеризуют объем, форму, качество, своевременность, значимость отображаемой информации; - инженерно-психофизиологические - определяют создание комфортных условий работы оператора (например, яркость и контрастность изображения, разрешающая способность, точность воспроизведения информации, частота повторения изображения, размеры воспроизводимых символов; - конструктивно-технические - характеризуют сложность и качество конструкции (например, надежность функционирования, потребляемая мощность); - технико-экономические - определяют стоимостные показатели, затраты на проектирование и эксплуатацию. Среди большого числа технических и эксплуатационных характеристик средств воспроизведения и отображения информации выделим основные. К ним относятся: статические (амплитудная характеристика, характеристическая кривая носителя, коэффициент передачи, дифференциальная и предельная чувствительность); полный или динамический диапазон; точность и достоверность; разрешающая способность; основные характеристики зрительного восприятия человека- оператора; информационная емкость; быстродействие и надежность.
Адаптирующая яркость - это яркость, к которой приспособлен глаз. Ее определяют как среднюю из суммы яркостей, воспринимаемых глазом.
Контраст - это отношение разности изображения и фона к яркости фона (степень воспринимаемого различия между двумя яркостями). Различают прямой и обратный контрасты: кпр = (В4-В)[В;к„6=(В-Вф)1В, где & об- прямой и обратный контрасты;Все параметры зрительного восприятия человека взаимосвязаны между собой так, что уменьшение численного значения одного из них требует увеличения других. К временным параметрам глаза человека относятся критическая частота мельканий и длительность сохранения инерционного образа. Критическая частота мельканий определяет границу ощущения прерывистого сигнала. При превышении этой частоты сигналы сливаются в стабильный немигающий свет. Длительность сохранения инерционного образа или время инерции - это время накопления воздействия света на глазную сетчатку. Инерция связана с остротой зрения, т.е. способностью глаза различать детали объекта наблюдения. Острота зрения зависит от освещенности, расстояния до рассматриваемого объекта и определяется как величина, обратная углу зрения, а также характеризуется порогом разрешения - минимальным углом, под которым две равноудаленные точки видны как раздельные. При нормальной остроте зрения возможно различение деталей с угловыми размерами не менее 1. При работе со средствами отображения информации от оператора требуется также различение деталей движущихся объектов, которое оценивается порогом динамической остроты зрения. Эта характеристика зависит от скорости движения объекта и его направления. Детали объекта (символов на экране ЭЛТ) лучше различаются при перемещении справа налево и снизу вверх, чем при перемещениях в противоположных - направлениях. Длительность наблюдения объектов в фиксированной позиции, необходимая для различения деталей, зависит от скорости движения объектов, уровня их освещенности и контрастности. При разработке средств отображения движущихся объектов необходимо вносить поправки на скорость, длительность, путь и направление движения с учетом характеристик динамической остроты зрения и возможной оценки скорости [25]. Информационная емкость СОИ Максимальное количество информации, которое может быть воспроизведено на СОИ, называется информационной емкостью. Значение этой емкости зависит от структуры информационного поля, количества позиций и числа символов в алфавите, закрепленном за позицией. Информационная емкость СОИ, в которых информационные поля используют алфавиты с различным числом символов, закрепленные за определенными группами позиций, выражается соотношением где N - информационная емкость, бит; 71 - общее количество одновременно отображаемых элементов в пределах информационного поля; т - количество отображаемых знаков. Если воспроизведение осуществляется на экране, то его емкость - это максимальное количество символов, воспроизводимых на экране. В данном случае информационную емкость определяют следующие параметры: площадь экрана - ; расстояние между экраном и человеком- оператором; угол обзора, образуемый двумя лучами, направленными от глаза наблюдателя к крайним точкам экрана. Если - линейные размеры экрана, то его площадь " Общее количество одновременно воспроизводимых элементов на экране где 1и 2- линейные размеры одного знакоместа. Информационная емкость где т - количество различных воспроизводимых знаков на экране. Количество информации, воспроизводимое СОИ, в общем случае не равно информационной емкости. Оно возможно только в том случае, когда для любой позиции информационного поля равновероятно появление любого из символов алфавита. При появлении символов и алфавите общем для всех И- позиций информационного поля, количество воспроизводимой информации @ (бит) составит / где - вероятность появления 3 -го символа, О 1Я % При вопроизведении разных алфавитов для различных групп позиций последнее выражение принимает вид Информационную емкость экрана воспроизведения можно также характеризовать удельной информационной емкостью площадью экрана . Тогда — , т.е. удельная информационная емкость представляет собой количество информации, приходящееся на единицу площади экрана, и выражается в бит/см2. Изобразительная возможность определяется языком изображения и возможными приемами оперирования с отображаемой информацией. ЯЗЫК изображения - это набор символов, который может быть воспроизведен на экране (алфавитно-цифровые знаки, условные знаки, линии, фигуры и т.д.). Количественный состав языка изображения определяется классом решаемых задач, т.е. разнообразием, числом градаций и явлений, информация о которых отображается на экранах СОИ.
Выбор средств межпроцессной коммуникации
Реактивными системами обычно являются программно-аппаратные комплексы, где аппаратная составляющая используется для согласования управляющей (программной) логики с реальной средой (механизмы, датчики и т.п.). Часто для повышения производительности таких систем или в целях получения независимости работы их подсистем применяют параллельное выполнение задач, как на программном, так и на аппаратном уровне.
Отличительными чертами этих систем является: - наличие ограниченного числа разделяемых ресурсов между параллельно работающими процессами (устройства ввода-вывода, коммутируемые устройства управления, каналы линий передачи информации и т.д.). - необходимость качественной обработки нештатных ситуаций, связанных с отказами аппаратной части или непредсказуемой комбинацией поступающих входных воздействий на систему. - акцентирование внимания на ресурсе, связанным со временем обработки поступающих данных или управлением внешними объектами по временной диаграмме. Для разработчика важнейшими задачами анализа при этом являются: - доказательство непротиворечивости системы в плане согласованного использования разделяемых ресурсов и синхронизации работы параллельных процессов; - возможность рассмотрения последствий ложных внешних воздействий на систему и пути их устранения; - получение временных отсечек работы процессов (в т.ч. параллельных) при решении задач систем реального времени. В настоящее время у разработчиков программного обеспечения достаточно устойчиво укрепилось осознание необходимости представления архитектуры разрабатываемого проекта в виде разнообразных диаграмм, отражающих как статическую, так - и динамическую составляющую системы. Фактически, в этом вопросе унифицированный язык моделирования UML (Unified Modelling Language) занял лидирующие позиции. Это связано с тем, что он предоставляет достаточный набор диаграмм для описания различных ракурсов системы. С помощью диаграмм UML можно описать и реактивные системы, но на довольно высоком уровне, что для анализа вышеперечисленных проблем не подходит. На диаграмме состояний, имеющихся в UML, невозможно показать, например, взаимодействие параллельных процессов и, следовательно, исследовать коллизии (в т.ч. временные). Также нет возможности наглядного представления процесса захвата разделяемых ресурсов разными процессами.
Поиск методов описания параллельных систем привел к рассмотрению сетей Петри как наиболее приемлемого инструмента для наглядного представления множества внутренних состояний и условий их изменения (функций перехода). В Европе активно развивается прикладное направление применения раскрашенных сетей Петри в промышленных проектах, поддерживаемое со стороны университетов как теоретически, так и практически. Теория раскрашенных сетей Петри (Coloured Petri Net, CP-net) разрабатывается более 20 лет рабочей группой (CPN Group) университета г.Орхуса (University of Aarhus, Denmark) под руководством профессора Курта Йенсена (Kurt Jensen). Этой группой разработана основная модель, включающая использование типов данных и иерархических конструкций, определены концепции динамических свойств, развивается теория методов анализа. Раскрашенная сеть Петри (РСП) - это графоориентированный язык для проектирования, описания, имитации и контроля распределенных и параллельных систем. Графическими примитивами показывается течение процесса, а конструкциями специального языка имитируется необходимая обработка данных. Сеть представляет собой направленный граф с двумя типами вершин - позициями и переходами, при этом дуги не могут соединять вершины одного типа, т.е. граф является двудольным. Множество позиций (обозначаются эллипсом) описывают состояния системы. Переходы (обозначают прямоугольниками) описывают условия изменения состояний. Позиции называются входными для конкретного перехода, если направление дуги, указывает на переход. Позиции называются выходными для перехода, если дуга ведет от перехода к позиции.
В отличие от "классических" сетей Петри, в раскрашенных немаловажную роль играет типизация данных, основанная на понятии множества цветов, которое аналогично типу в декларативных языках программирования. Соответственно, для манипуляции цветом применяют переменные, функции и другие элементы, известные из языков программирования. Ключевой элемент РСП - позиция - имеет определенное значение из множества цветов. Для отражения динамических свойств в сеть Петри введено понятие разметки сети, которая реализуется с помощью так называемых фишек, размещаемых в позициях. Цвет позиции определяет тип фишек, которые могут там находиться. Конкретизация фишки, находящейся в данной позиции, определяется инициализирующим выражением начальной разметки или формируется в результате правильного выполнения шага итерации сети Петри. Сеть представляет собой асинхронную систему, в которой фишки перемещаются по позициям через переходы. Переход может сработать (т.е. переместить фишку из входной позиции в выходную для данного перехода), если во всех входных позициях для данного перехода присутствует хотя бы одна фишка и выполнено логическое выражение, ограничивающее переход (спусковая функция).
Дуги могут иметь пометки в виде выражений (переменных, констант или функций), определенных для множества цветов, и использоваться либо для "вычленения" компонентов сложного цвета фишек при определении условия срабатывания перехода, либо для изменения цвета фишки следующей позиции после срабатывания перехода.
Для анализа систем реального времени введен временной механизм, реализованный с помощью глобальных часов и так называемых штампов, которые несут фишки. Временной штамп фишки назначается при ее инициализации в начальной разметке или при создании фишки переходом и наращивается выражениями на переходах или дугах. В результате фишка становится доступной для перехода, если ее штамп оказался меньше значения счетчика глобальных часов. Часы наращивают свое значение, если на данный момент времени ни один переход сети не разрешен.
Для "реактивных" систем позицию можно рассматривать как одно из состояний системы, уточняемое содержащейся в ней типизированной фишкой, причем отсутствие фишки указывает на "неактивность" данного состояния. Введение "цветной" фишки позволяет сократить число отображаемых однотипных состояний (позиций) и дает возможность проектировщику пользоваться дополнительной информацией, которую несет фишка. На рисунке 2.9 представлена РСП, отражающая процесс захвата-освобождения разделяемого ресурса множеством однотипных процессов.
