CC BY
10УДК 331.101.1
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ГРАФИЧЕСКОГО ИНТЕРФЕЙСА ПОЛЬЗОВАТЕЛЯ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ ВОЗДУШНОГО ПРОСТРАНСТВА
Лаптев Дмитрий Николаевич
инженер акционерного общества «Муромский завод радиоизмерительных приборов».
E-mail: reddym@yandex.ru. Адрес: 602267, г. Муром, Карачаровское шоссе, 2.
Чекушкин Всеволод Викторович
доктор технических наук, профессор Муромского института (филиала) ФГБОУ ВПО «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых».
E-mail: chekvv@gmail.com. Адрес: 602264 Муром, ул. Орловская, д. 23.
Аннотация: Разработан графический интерфейс пользователя для применения в широкоформатных устройствах отображения информации систем контроля воздушного пространства. В таких системах большое значение придаётся визуальному представлению информации, поскольку оно отличается большой ёмкостью, обеспечивает оперативность, однозначность и удобство восприятия. На основе эргономических требований и алгоритмов действий человека-оператора определен перечень функциональных и информационных элементов с оптимизацией размещения их на экране монитора. Критерием качества интерфейса для рассматриваемых систем является скорость работы человека-оператора при работе с ним. В связи с этим проведена оценка эффективности с помощью метода GOMS. Показано, что используемая методика представляет собой эффективный способ оценки времени выполнения заданий пользователями, сравнения множества альтернативных решений в плане выполнения поставленных задач.
Приведен пример количественного анализа действий оператора на примере типовой задачи формирования формуляра цели. Приведены расчеты времени необходимого для выполнения этих действий для разработанного графического интерфейса и его аналога. Достоинство рассмотренного метода моделирования заключается в том, что не исключая экспериментальной проверки, оно позволяет сократить её объем и стоимость без ущерба качества оценки разрабатываемой системы.
Ключевые слова: графический интерфейс, система "человек-машина", GOMS KLM.
Введение
В радиолокационных станциях (РЛС) контроля воздушного пространства большое значение придаётся визуальному представлению информации, что необходимо для соблюдения эргономических требований [1]. Распространение широкоформатных мониторов позволяет улучшить взаимодействие человека-оператора с системой управления, поэтому актуален и дополнительный анализ общих эргономических требований.
При разработке графического интерфейса пользователя (ГИП) необходимо обеспечить максимальное быстродействие системы, отображение радиолокационной информации (РЛИ) в режиме, близком к реальному времени [2]. В тоже время на современном этапе мощность вычислительных средств позволяет
направить больше усилий на повышение эффективности взаимодействия человека - оператора с системой, более рациональные способы управления и контроля РЛС.
Проектирование ГИП основано на анализе деятельности человека-оператора с обеспечением заявляемых тактико-технических характеристик РЛС и ограничений современных технологий [3]. Работа оператора сводится к устоявшемуся алгоритму действий [4]. Оператор выясняет, имеются ли цели в его секторе ответственности, при наличии таких целей он производит их захват и сопровождение в полуавтоматическом режиме. После выполнения действий по захвату целей оператор сосредотачивается на контроле за качеством их сопровождения. Действия оператора по сопровождению целей заключаются в анализе радиоло-
кационной и помеховой обстановки. Важна обработка всей совокупности данных, представление их оператору с обеспечением возможности быстрой и адекватной реакции на быстропротекающие процессы в критических ситуациях. В настоящее время возрастает и количество информации, которую должны обрабатывать операторы РЛС.
Целью данной работы является совершенствование методов проектирования ГИП с применением широкоформатных мониторов, обеспечение рационального представления воздушной обстановки, эффективное размещение элементов управления РЛС.
Определение функциональных и информационных элементов ГИП и их размещение
Состав элементов ГИП варьируется в зависимости от заявляемых тактико-технических характеристик РЛС. В тоже время можно привести их типовой список: координатно-знаковый индикатор (КЗИ), поле с азимутальной сеткой координат; группа кнопок управления режимами КЗИ; кнопки управления масштабом; группа кнопок управления формулярами целей; группа кнопок команд по цели; контекстно-зависимая строка статуса; формуляр маркера; окно таблично-знакового индикатора (ТЗИ); группа кнопок управления ТЗИ; группа кнопок управления режимами РЛС; кнопка признака готовности РЛС; формуляр времени даты и статуса [2,5].
На организацию элементов ГИП оказывает влияние форм-фактор устройства отображения и способ управления системами. В качестве устройства отображения рассмотрим применение широкоформатного монитора 24" с учетом эргономических ограничений, накладываемых зоной размещения важных средств отображения информации (СОИ). Исходя из закона Фиттса, границы экрана предпочтительны для размещения функциональных элементов [6]. КЗИ является важным и наиболее информационно насыщенным элементом СОИ, поэтому целесообразно отвести под него максимально возможную область в центральной части экрана. Предлагаемый вариант разбиения экранно-
го пространства СОИ с применение широкоформатного монитора 24" приведен на рис. 1.
Методы оценки ГИП системы контроля воздушного пространства
Базовым подходом к построению аппаратно-программных систем управления и их интерфейсов с заданными характеристиками является тестирование действующих прототипов РЛС или её полно-функциональных образцов. Такой подход позволяет обеспечить разработчика достоверной информацией для коррекции ГИП с целью достижения заданных значений параметров. Например, с помощью наблюдения за тестированием нового интерфейса с участием нескольких операторов разработчик ГИП может получить данные о временных затратах на выполнение исследуемых алгоритмов действий. Однако применение способа оценки, основанного исключительно на экспериментальной работе, требует значительных материальных и временных затрат. Простое снижение объема экспериментов с целью уменьшения этих затрат приводит к ухудшению качества конечного продукта.
Альтернативой указанному подходу является применение количественных методов оценки, что позволяет получить окончательную версию системы с заданными характеристиками за меньшее время и при более низком уровне материальных затрат. Количественные методы, в отличие от эмпирических, часто могут свести спорные вопросы по размещению элементов ГИП к простым вычислениям. Одним из подходов к количественному анализу интерфейсов является метод GOMS - «правила для целей, объектов, методов и выделения». Моделирование GOMS позволяет оценить, сколько времени потребуется опытному пользователю на выполнение конкретной операции при использовании данной модели интерфейса [6]. Действия пользователя можно представить как набор типовых составляющих (например, нажать ту или иную кнопку на клавиатуре, передвинуть мышь, и т.п.). Метод GOMS может быть реализован с помощью модели KLM (Keystroke-level-Model). Она представляет собой эффективный способ оценки времени вы-
полнения заданий пользователями и поэтому применяется для сравнения альтернативных решений в плане выполнения задач на пользо-
вателях. Разработчик ГИП перечисляет нажатия на клавиши, движения мышью, которые должен произвести человек-оператор для решения задачи, а затем использует несколько простых эвристических правил, чтобы расставить операторы М в соответствии с алгоритмом работы оператора по целям.
Оценка ГИП с помощью операторов KLM
Человек-оператор, выполняя поставленную задачу, осуществляет последовательность действий. Каждой операции ставится в соответствие определенное время. Дискретные действия в терминах KLM называются операторами. В таблице приведены обозначения ряда стандартных операторов KLM и рекомендованные значения времени при выполнении типовых операций [7].
Необходимо уточнение времени реализации физического оператора P, так как время, затраченное пользователем на указание конкретного объекта на экране, зависит от расстояния между
маркером «мыши» и необходимой позицией целевого объекта, а также от размеров последнего. Уточнение производится путем замены стандартного значения оператора P на вычисляемое в каждом конкретном случае по закону Фиттса. Задача адекватного определения необходимого количества операторов M, а также их расположения представляется нетривиальной. Для расстановки операторов M предлагается набор правил:
1. Начальная расстановка операторов M (перед всеми операторами K, а также перед всеми операторами P, реализующими выбор команды, но не завершающими команду).
2. Удаление операторов M перед полностью ожидаемыми операторами.
3. Если строка связок операторов вида MK принадлежит одной когнитивной единице, необходимо удалить все операторы M, кроме первого.
4. Если оператор K является избыточным разделителем, необходимо удалить стоящий перед ним оператор M.
5. а) Если оператор K завершает строку постоянного содержания, то необходимо удалить оператор M, стоящий перед ним; б) при этом не следует удалять оператор M, если стоящий за ним оператор K завершает не имя команды, а её параметр.
Таблица. Стандартные операторы KLM
Проведем временную оценку последовательности (рис. 2). Замеры проведем на растровом изображении макета ГИП (рис. 3). Примем, что правой рукой пользователь управляет "мышью", а левой взаимодействует с панелью управления (клавиатурой). Зададим начальное положение маркера "мыши" в центре КЗИ. Че-
ловеку-оператору, прежде чем выполнить описанный алгоритм, необходимо время на принятие решения о его осуществлении (оператор М). Затем он указывает на цель (точка А, оператор Р) и выделяет (операторы ВВ) ее с помощью маркера "мыши", обдумывает свои дальнейшие действия (оператор М) и нажимает кнопку запроса ОГП на пульте управления (оператор К). Получив сообщение по результатам запроса, что цель «Своя», снова обдумывает свои действия (оператор М). Перемещает маркер "мыши" (оператор Р) и нажимает на соответствующую кнопку на экране (операторы ВВ), присваивая этим действием цели статус «Своя». Обдумывает дальнейшие действия (оператор М) и перемещает маркер "мыши" на кнопку «ПФ» (оператор Р). Нажав ее (операторы ВВ), задает полный формуляр цели. Запись последовательности операторами модели KLM имеет вид: MPBBMKMPBBMPBB. Время для выполнения этих действий будет равно: tq, = =1,2 + 1,1 + 0,2 + 1,2 + 0,28 + 1,2 + 1,1 + 0,2 + +1,2 + 1,1 + 0,2 = 8,98 с. Уточнение этих действий с учетом закона Фиттса, который позволяет получить среднее время, за которое пользователь может переместить указатель графического устройства ввода к необходимому элементу интерфейса на экране:
tcp = а + b log2 (D / S + 1), (1)
Оператор Дискретное действие и его рекомендуемое время реализации
K Однократное нажатие клавиши = 0,28 с.
P Указание «мышью» на фиксируемый участок экрана = 1,1 с.
B Нажатие или отпускание кнопки на манипуляторе типа «мышь» = 0,1 с.
М Разовое ментальное действие - время, необходимое пользователю для обдумывания решения = 1,2 с
ОПАСН НАЗЕМ
ВЫД1 ВЫД2 ВЫДЗ ВЫД4 СБРОС
510
ИНДИКАТОР ЗОНЫ ОТОБРАЖЕНИЯ
ФОРМУЛЯР ВРЕМЕНИ/ДАТЫ/СТАТУСА
Номер группы РМО
Подчиненный
14:23:05
Воскресенье
25.08.2012
ИЗЛУЧЕНИЕ
ФУНКЦИОНАЛЬНОЕ МЕНЮ
А:316.51 г Д:550.24км ОА/ОД КТ АНАЛОГ ТРАССЫ ТОПОГР БЛАНК Мтр ВЕКТ ОСН ОГП ПИ ИНД ОТКЛ
Нет режима КЗИ
Рис. 3. Замеры дистанции и размера целевого элемента интерфейса в пикселах
где D - дистанция от начальной позиции маркера до границы целевого элемента интерфейса по направлению перемещения указателя; - размер целевого элемента интерфейса (кнопки, ссылки, переключателя), измеренный по сечению, задаваемому линией перемещения указателя; а - среднее время запуска/остановки движения; Ь - величина, зависящая от типовой скорости движения. Величины а и Ь являются константами, определяемыми опытным путем по параметрам производительности конкретного пользователя. Для приближенных вычислений используются значения: а = 50, Ь = 150. Тогда время решении алгоритма (1ср) составило:
= 1,2 + Р\ + 0,2 + 1,2 + 0,28 + 1,2 + Р2 + 0,2 + +1,2 + Рз + 0,2 = 5,68 + Рх + Р2 + Рз.
50 + 150^2 (^+1)
tcp = 5,68 + ■
103
/732 _
+
+ 50 + 150^^+1) +
+
103
50 + 150log2 (^+l)
103
= 7,6 с.
Проведенный расчет для аналога [2] разработанного макета ГИП (рис. 4) дает tср = 8,0 с. Выигрыш в скорости предлагаемого интерфейса (рис. 3) относительно аналога, составляет
0,4 с., что с учетом повторяемости рассмотренного алгоритма действий человеком - оператором во время работы с ГИП является существенной.
Выводы
Разработана схема организации ГИП с заданным перечнем функциональных и информационных элементов, размещение которых на экране широкоформатного монитора выполнено с акцентом на скорость работы человека-оператора. ГИП отвечает эргономическим требованиям и другим ограничениям, накладываемым стандартами. Приведена методика оценки интерфейса. Сравнительный анализ эффективности работы оператора на разработанном ГИП с его аналогом проведен при помощи метода GOMS. Применение рассмотренного моделирования, не исключая экспериментальной проверки, позволяет сократить её объем и стоимость.
Литература
1. Рыбкин Ю.Л., Рассказов Ю.А., Лаптев Д.Н. Совершенствование методов оценки эргономических показателей конструкций пультов управления технических систем // Вопросы радиоэлектроники,
серия Радиолокационная техника, 2011, вып. 1, C.
162-169.
2. Терсин С.В. Разработка графического интерфейса оператора РЛС и практическая реализация отображения РЛИ // Вестник воздушно-космической обороны. 2014. №3. С. 76-81.
3. Антуфьев Р.В., Бобров М.С., Пискунов Г.Г., Царьков М.А. Построение тренажно -моделирующего комплекса РЛС // Вестник воздушно-космической обороны. 2014. №3. - С. 5-8.
4. Дедяев В.Н. Тактико-специальная подготовка. Минск: БГУИР, 2010. - 117 с.
5. Васильцов И.В., Терсин С.В., Терсин С.С., Чекушкин
B.В. Реализация высокоинформативной системы отображения радиолокационной информации // Вопросы радиоэлектроники. Сер. РЛТ. 2011. Вып. 1. С. 157161.
6. Раскин Д. Интерфейс: новые направления в проектировании компьютерных систем.- М: Символ-Плюс, 2005.-
C. 97-121.
7. Абдулин Е. Р. Метод построения и проверки гипотез о
ментальных действиях пользователя при реализации человеко-машинного взаимодействия // Управление большими системами: сборник трудов.- М.: Институт проблем управления РАН, 2010. - С. 108111.
Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ 14-07-00293. Поступила 11 июня 2015 г.
English
Improvement of design methods for graphical user interface of airspace control system
Dmitry Nikolayevich Laptev - Engineer JSC Murom Plant of Radio Measuring Instruments. E-mail: reddym@yandex.ru.
Address: 602267, Murom, Karacharovskoye Highway, 2.
Vsevolod Viktorovich Chekushkin - Doctor of Engineering, Professor Murom Institute (branch) "Vladimir State University named after Alexander and Nickolay Stoletov". E-mail: chekvv@gmail.com.
Address: Orlovskaya st., 23. Vladimir region, Murom, 602264, Russia.
Abstract: Development of airspace control systems, parameters and functions which define their capabilities. It also causes increase in data amount that operator faces in his professional activity.
Organization and effective representation of this activity is an important factor of man-machine systems functioning. Hence graphical use interface is developed for application in large-format data display devices for airspace control systems. Data visual representation is of great significance in such systems as it has big capacity, provides operational efficiency, unambiguity and perception convenience. The list of functional and data elements with optimization of their placement on the monitor screen is defined on the basis of ergonomic requirements and actions algorithms of human operator. Human operator functional speed with this interface is criterion of interface quality for systems in question. Hence efficiency assessment by GOMS method was performed. It is shown that the applied technique represents an effective way of performance time assessment of users tasks, comparison of alternative solutions set in regard to objectives commitment. The named technique enables to provide this system developer with reliable information for system correction for its achievement of
key parameters preset values. Quantitative analysis example of operator's actions illustrated by standard problem of forming target label is given. Time calculations for these actions implementation for the developed graphic interface and its analogue are given. The advantage of the examined simulation method is that it enables to reduce amount and cost of experimental validation without compromising assessment quality of developed system and without excluding experimental validation.
Key words: graphical interface, man-machine system, GOMSKLM.
References
1. Rybkin Yu.L., Rasskazov Yu.A., Laptev D. N. Improvement of assessment methods for ergonomic indicators of technical systems control panel designs. - Voprosy radioelektroniki, seriya Radiolokatsionnaya tekhnika, 2011, vyp.. 1, p. 162-169.
2. Tersin S. V. Development of RS operator graphical interface and practical implementation of RS data display. - Vestnik vozdushno-kosmicheskoy oborony. 2014. No. 3. P. 76-81.
3. Antufyev R. V., Bobrov M.S., Piskunov G.G., Tsarkov M. A. Building of training and simulation RS complex. - Vestnik vozdushno-kosmicheskoy oborony. 2014. No. 3. - P. 5-8.
4. Dedyaev V. N. Tactical and special training. Minsk: BGUIR, 2010. - 117 p.
5. Vasiltsov I.V., Tersin S.V., Tersin S.S., Chekushkin V. V. Implementation of high-informative system for radar information display. - Voprosy radioelektroniki. Ser. RLT. 2011. Vyp. 1. p. 157-161.
6. Raskin D. Interface: new trends in design of computer systems. - M: Simvol-Plus, 2005. - Page 97-121.
7. Abdulin E. R. Metod of formation and checking hypotheses of user's mental actions in implementation of man-machine interaction. - Upravleniye bolshimi sistemami: sbornik trudov.- M.: Institut problem upravleniya RAN , 2010. - p. 108-111.
