2. Зинченко В. П., Мунипов В. М., Смолян Г. Л. Эргономические основы организации труда. М., «Экономика», 1974.

3. Межотраслевые требования и нормативные материалы по научной организации труда, которые должны учитываться при проектировании новых и реконструкции действующих предприятий, разработке технологических процессов и оборудования, т. 1. М., изд. НИИ труда Госкомтруда СССР, 19781

4. Научная организация труда в промышленности. Под общей ред. С. С. Новожилова. М., «Экономика», 1978.

5. Burandt U. Ergonomie fur Design und Entwickiung. Koln, Verlag О. Schmidt, 1978.

7. Оптимизация средств и систем отображения информации

7.1 Деятельность оператора с информационными моделями

Развитие промышленности XX столетия все в большей и большей степени характеризуется механизацией и автоматизацией производственных процессов. В ряде случаев это приводит к тому, что во многих видах деятельности не так легко конкретно указать и определить предмет труда и его результат. Дело в том, что средства трудовой деятельности начинают занимать в сознании работающего место ее предмета, а сам предмет как бы «дематериализуется». Этот процесс дематериализации происходил постепенно. Существовало и существует большое число ситуаций, когда требуемая точность непосредственного наблюдения и оценки превосходит разрешающую способность органов чувств человека. Для повышения точности непосредственного наблюдения стали использовать различные датчики, информация от которых поступает в аналоговой или цифровой форме. Эта информация частично дублирует непосредственное восприятие предмета труда или рабочего процесса. Приборная информация предъявляется в более удобной для восприятия форме. Использование таких двойных источников информации -- это начало «раздвоения» предмета трудовой деятельности. Человек начинает иметь дело не только, а в некоторых случаях и не столько с непосредственно наблюдаемыми, сколько с инструментально измеренными свойствами предмета труда. Такие ситуации типичны для многих транспортных профессий, для профессий металлургов, инструментальщиков и др. По мере того как человек все больше удалялся от предмета труда в силу невозможности или опасности его непосредственного наблюдения, все шире стали использовать разнообразные средства дистанционного, контроля и управления, специальные средства отображения информации. Последние предназначены для предъявления человеку данных, характеризующих объекты управления или его параметры, ход технологического процесса, наличие энергетических ресурсов, состояние средств автоматизации, каналов связи и пр. Эти данные предъявляются человеку в количественной, качественной, в том числе и картинной форме.

Внедрение систем дистанционного контроля и управления привело к тому, что средства отображения информации стали использовать в качестве единственного источника информации об управляемом объекте, рабочем процессе и о состоянии самой системы дистанционного управления или системы «человек -- машина». Операторы таких систем действуют не с реальными объектами, а с их заместителями или имитирующими их образами, т. е. с информационными моделями реальных объектов. Последние, будучи средствами трудовой деятельности операторов, нередко становятся и ее предметом.

Информационная модель есть организованная в соответствии с определенной системой правил совокупность информации о состоянии и функционировании объекта управления и внешней среды. Она является для оператора своеобразным имитатором, отражающим все существенно важные для управления свойства реальных объектов, т. е. тем источником информации, на основе которого он формирует образ реальной обстановки, производит анализ и оценку сложившейся ситуации, планирует управляющие воздействия, принимает решения, обеспечивающие правильную работу системы и выполнение возложенных на нее задач, а также наблюдает и оценивает результаты их реализации.

В философско-методологической литературе под моделью понимается функциональный гомоморфный перенос (отображение) части внешнего мира на систему понятий (изображений, визуализированных картин, символов, знаков и т. п.). Это отображение не является взаимно-однозначным, т. е. изоморфным, однако оно сохраняет связи, которые существуют между элементами внешнего мира. Последнее свойство позволяет модели быть не только описательной, но и предсказательной. В соответствии с таким определением существенными компонентами модели являются: 1. Понятия (термины, знаки, символы). 2. Постулаты (аксиомы или законы). 3. Правила трансформации (правила вычисления). 4. Правила соответствия, отображения, которые позволяют сравнивать результаты вычислений с экспериментальными или практическими результатами. Приведенные четыре общих положения могут характеризовать модели-теории, а также очень простые модели. Распространены также и операционные определения модели. Система является моделью, если она способна отвечать на вопросы о внешнем мире. Важным достоинством операционного определения является то, что оно включает в себя не только модели-теории, но и кибернетические системы, реализованные с помощью ЭВМ. В соответствии с общепринятым положением о том, что слишком абстрактная модель бесплодна, а слишком детальная вводит в заблуждение, объем информации, включенной в модель, и правила ее организации должны соответствовать задачам и способам управления. Физически информационная модель реализуется с помощью разнообразных средств отображения информации.

Наиболее существенной особенностью деятельности человека с информационной моделью является необходимость соотнесения сведений, получаемых посредством приборов, экранов, мнемосхем, табло и т. п., как между собой, так и с реальными управляемыми объектами. На процедурах соотнесения этих сведений строится вся деятельность оператора. Отсюда понятно, что построение адекватной информационной модели является одной из важнейших задач конструирования системы управления в целом.

В работе по созданию информационных моделей, предшествующей выбору технических средств ее реализации, т. е. средств отображения информации, необходимо руководствоваться следующими эргономическими требованиями:

-- по содержанию: информационные модели должны адекватно отображать объекты управления, рабочие процессы, окружающую среду и состояние самой системы управления;

-- по количеству информации: информационные модели должны обеспечивать оптимальный информационный баланс и не приводить к таким нежелательным явлениям, как дефицит или излишек информации;

-- по форме и композиции: информационные модели должны соответствовать задачам трудового процесса и возможностям человека по приему, анализу, оценке информации и осуществлению управляющих воздействий.

Всесторонний учет этих требований в процессе проектирования обеспечивает необходимую оперативность и точность трудовой деятельности человека и, в частности, эффективное выполнение функций системой «человек -- машина».

Информационные модели современных СЧМ в большинстве -случаев адекватно отражают объекты управления и состояние системы управления. Тем не менее работа оператора с ними часто не удовлетворяет требованиям оперативности и точности.

Опыт показывает, что операторы часто сталкиваются с трудностями, которые являются результатом того, что конструктор исходит из неправильных или неполных представлений о возможностях человека по приему и переработке информации. С этим связаны такие просчеты, как неудачный выбор системы кодирования, предъявление слишком больших объемов информации или слишком быстрая ее смена, не говоря уже об игнорировании элементарных психофизиологических требований. Главная причина этого в том, что в основу информационной модели нередко кладется система взаимосвязей реального объекта, не учитывающая специфических особенностей психологической структуры работы человека с этим объектом.

Предметное содержание деятельности оператора весьма многообразно. Это разнообразие отражено в классификации автоматизированных систем управления (АСУ). К нему следует лишь добавить саму систему управления и ее элементы, которые выступают в качестве особого предметного содержания деятельности операторов, занятых функциональным контролем и обслуживанием средств автоматизации. В описание предметного содержания объектов управления обязательно должны входить пространственно-временные и динамические параметры их существования, функционирования и взаимодействия.

Кстати, для того чтобы проиллюстрировать многообразие предметного содержания деятельности оператора, следует напомнить, что в качестве такового выступает и его собственное функциональное состояние. Это типично для проводимых космонавтами медико-биологических, психологических и эргономических исследований. Анализ предметного содержания деятельности является исходным и необходимым условием решения любых эргономических задач. Детальная характеристика предметного содержания деятельности особенно необходима на стадиях разработки информационных моделей и для обучения операторов.

Характеристика психологического содержания деятельности оператора была дана в работах Д. Ю. Панова и В. П. Зинченко [8, 9], после чего многократно воспроизводилась, детализировалась, уточнялась применительно к различным видам операторской деятельности. Здесь нужно подчеркнуть, что эргономика и инженерная психология изучают и проектируют именно деятельность с информационными (и исполнительными) моделями. В инженерной психологии нередко употребляется термин «взаимодействие человека со средствами автоматизации». Этот термин, однако, не позволяет зафиксировать специфику человеческой деятельности. Средства автоматизации, как известно, могут взаимодействовать друг с другом и без помощи человека. Об этом можно было бы и не говорить, если бы термины «информационное взаимодействие», «информационный обмен» и т. п. не задавали неверную методологическую ориентацию эргономическим и инженерно-психологическим исследованиям.

Понятие деятельности применимо и в тех случаях, когда речь идет о диалоге человека и машины. Во всяком диалоге имеется ведущий партнер. В диалоговых взаимоотношениях человека и машины в автоматизированных системах управления меняется лишь то, что оператор имеет значительно большую свободу оперирования с информационной моделью по сравнению с первыми-поколениями АСУ. Видимо, в перспективе операторы в известных пределах сами будут определять содержание и форму информационных моделей, обращаясь к информационному обеспечению АСУ.

Узловая проблематика психологического анализа деятельности оператора связана с содержанием, формой постоянных и оперативных образно-концептуальных моделей (ОКМ) реальной и прогнозируемой обстановки, самой системы управления, потенциальных и актуальных проблемных ситуаций. ОКМ также включает в себя систему оценок и ценностей, оперативные способности, общее представление о времени и пространстве и определенный способ взаимодействия индивида с внешним миром. Проблема внутренних моделей окружения возникла в философии и общей психологии до инженерно-психологических исследований. Эти модели назывались также собственными, концептуальными. (В качестве курьеза можно упомянуть также об употреблении равнозначных по смыслу, но неадекватных по форме терминов «мозговая» и «психическая модель».)

В контексте инженерно-психологических исследований проблема внутренних и концептуальных моделей была выдвинута в Англии в 1943 г., но затем она долго не могла получить соответствующей разработки. Интерес к этой проблематике возродился в последние годы в связи с приходом на смену необихевиоризму и информационному подходу когнитивной психологии. В нашей литературе проблеме формирования и функционирования ОКМ посвящено большое число экспериментальных психологических исследований. Это связано с основной ориентацией советской эргономики и инженерной психологии на формирование у оператора системы разумных действий, а не цепей реакции. Хотя к деятельности человека в АСУ предъявляются требования в отношении скорости, своевременности, оперативности, это не означает, что у человека надо вырабатывать реактивные, импульсивные формы поведения. Подчеркивание значения ОКМ в деятельности оператора--это подчеркивание разумного, сознательного характера его деятельности.

Сложность рационального определения (и проектирования) деятельности оператора состоит в том, что его включают в систему управления для выполнения таких функций, применительно к которым часто невозможно выработать четкие и однозначные инструкции и правила. При этом оператору поручаются выполнение или контроль наиболее важных и ответственных функций в системе. От оператора требуются разумные действия в непредвиденных обстоятельствах, зачастую в условиях недостаточной, а порой и недостоверной информации. Работа оператора, как и системы управления в целом, протекает в реальном масштабе времени, что налагает особые требования к ее скорости и точности. Проблемы оптимизации и проектирования деятельности операторов с информационными моделями, разработка требований к информационным моделям, пути формирования постоянных и оперативных образно-концептуальных моделей ситуации уже длительное время находятся в центре внимания специалистов области эргономики, инженерной психологии, техники отображения информации. В то же время конкретное содержание этой проблематики претерпело за последние пятнадцать лет существенные изменения. Отступили на второй план исследования скорости перцептивных процессов, в частности информационного поиска. Значительное усовершенствование качества предъявления информации привело к уменьшению числа исследований, посвященных однозначности восприятия знаковой и буквенно-цифровой информации. Достигнута значительно большая ясность в понимании оперативно-технической стороны перцептивных и опознавательных процессов. Однако все это не уменьшило актуальности исследования путей построения информационных и формирования концептуальных моделей. Корни этой проблематики касаются самого существа деятельности операторов автоматизированных систем управления. В этом типе деятельности выступает, может быть, значительно более рельефно, чем в других, известная диспропорция между бедностью отображения и богатством, сложностью и многослойностью отображенной реальности, которую человек должен реконструировать, анализировать и применять в соответствии с принятым решением. И несмотря на быстрое развитие техники отображения, эта диспропорция сохраняется (если не увеличивается по мере роста масштабов и сложности АСУ). Сохранение этой диспропорции приводит к изменению проблематики изучения перцептивных и мыслительных процессов.

Поскольку оператор все больше имеет дело с недостаточно четко определенным пространством возможных задач, нередко бывает так, что он должен извлекать, вычерпывать из информационной модели и соответственно реконструировать самое различное предметное содержание, различные слои реальности. Эти слои могут быть внешними, характеризующими, например, пространственное расположение объектов или их единичные свойства; они могут характеризовать общие функциональные свойства групп объектов или функциональные (а не только пространственно-временные) отношения между различными объектами; наконец, возможны ситуации, требующие оперирования не с самими объектами, а с системами более или менее взаимосвязанных категориальных свойств и качеств этих объектов.

Учет указанных обстоятельств, в которых протекает реальная деятельность оператора, требует более интенсивного, чем прежде, изучения мотивационных, целевых, в широком смысле, личностных аспектов перцептивной и мыслительной деятельности.

Немалый научный и практический интерес представляют последовательность и возможная глубина проникновения оператора в ситуацию, в ее невидимые непосредственно пласты, в ее смысл и значение. Здесь важна и такая характеристика, как время проникновения в эти пласты, время построения образно-концептуальной модели, которая по необходимости является частичной, в известном смысле односторонней. Важным является и время дополнения модели или время ее смены. Но, пожалуй, наиболее существенным является определение направленности на то или иное предметное содержание. При этом последняя определяется как задачами субъекта, так и самим предметным содержанием и, разумеется, способами его извлечения и трансформации в значение. Сочетание, этих обстоятельств приводит к эволюции (или к смене) ОКМ, т. е. к эволюции когнитивных продуктов деятельности, к смене образа ситуации, к полаганию новых целей. Естественно, что ведущим в этом сочетании является реальный объект, его реальное предметное содержание, детерминирующее действие субъекта. Вместе с тем нельзя недооценивать и возможного (а может быть и обязательного) эффекта «вчитывания» в объект априорного опыта и знаний субъекта. Последнее требует особенно внимательного отношения к индивидуальным различиям между людьми, к возможному предпочтению ими тех или иных слоев реальности.

Сказанное относительно предметного содержания деятельности оператора подтверждает тезис о его «дематериализации». Этот тезис следует понимать в том смысле, что у оператора в каждый данный момент его деятельности нет априорного представления о ее конкретном предметном содержании. Он должен извлекать его из избыточной информационной модели, строить образ этого предметного содержания и в зависимости от этого образа ставить и достигать конкретные цели.

Именно поэтому деятельность оператора нередко называют творческой и именно поэтому так сложна оценка эффективности деятельности операторов СЧМ, равно как и решение насущных задач оптимизации и проектирования деятельности операторов.

Опыт разработки и эксплуатации информационных моделей, а также специальный анализ деятельности операторов с ними позволяют сформулировать ряд важнейших характеристик информационных моделей.

1. В информационной модели представлены лишь те свойства, отношения, связи управляемых объектов, которые существенны, имеют определенное функциональное значение, т. е. «участвуют в игре». В этом смысле модель воспроизводит действительность в упрощенной форме и всегда является некоторой идеализацией действительности. Степень и характер упрощения и идеализации могут быть определены на основе анализа задач СЧМ в целом и анализа задач операторов СЧМ.

2. Модель должна быть наглядной, т. е. оператор должен иметь возможность воспринимать сведения быстро и без кропотливого анализа. Только при этих условиях ему не потребуется много времени на информационную подготовку решения, включающую стадии формирования ОКМ и формирования в необходимых случаях модели проблемной ситуации. Информационная модель может быть наглядной в разных смыслах. Она может давать, например, наглядное представление о пространственном расположении объектов, т. е. быть в какой-то мере геометрически подобной их действительному расположению. В этом случае оператор будет иметь наглядное представление о таких свойствах управляемых объектов, как расстояние между ними, их принадлежность к какой-либо территориальной группе и т. п. Если для оператора существенны иные признаки, то необходимо сделать наглядными другие свойства управляемых объектов, например их принадлежность к одному и тому же типу или состоянию. При функционировании системы возможны периоды, когда необходимо наглядное представление одних свойств управляемых объектов и периоды, когда нужно учитывать другие их свойства.

Наглядность информационных моделей не всегда легко достижима, так как нередки случаи, когда объекты управления, их свойства и взаимодействия сами по себе не обладают наглядными признаками. В этих случаях приходится решать задачи, близкие к тому, что в методологии науки определяется как визуализация понятий.

3. Одним из важнейших средств достижения легкой воспринимаемости, или «читаемости», информационной модели является правильная организация ее структуры. Это означает, что в информационной модели должны быть представлены не коллекция или набор сведений, так или иначе упорядоченных, а они должны находиться в определенном и очевидном взаимодействии.

При «хорошей» структуре или гештальте информационной модели оператор выполняет ординарные функции, нарушения «хорошей» структуры свидетельствуют о возникновении отклонений от нормального режима функционирования, требующих экстренного вмешательства оператора. Хорошая структура обеспечивает быстрое и правильное восприятие ситуации в целом. Отклонения от нее воспринимаются оператором как потенциально проблемные, конфликтные и заставляют его производить детальный анализ ситуации с целью обнаружения источника конфликта и поиска путей его устранения. Одним из средств достижения хорошей структуры является правильная компоновка информационной модели. В этом смысле разработка информационной модели представляет собой задачу, в какой-то степени эквивалентную задаче хорошей компоновки картины. Так же как и хорошо скомпонованная картина, информационная модель может помочь восприятию ситуации в целом, если она не будет перегружена деталями, нарушающими целостное восприятие. Важной задачей художника является отбор того существенного и типичного, что позволяет ему с максимальной эффективностью довести до зрителя свою идею. Точно так же и при создании информационной модели чрезвычайно существен отбор функционально значимых сведений и информативных данных, которые должны быть предъявлены оператору. Сказанное в равной степени относится и к отображению конфликтных ситуаций, осознание которых облегчается при столкновении противоречивых образов, тенденций, свойств и т. п.

4. Восприятие ситуации как проблемной облегчается, если в информационной модели предусмотрено:

-- отображение конкретных изменений свойств элементов ситуации, которые происходят при их взаимодействии. В этих случаях изменения свойств отдельных элементов воспринимаются не изолированно, а в контексте ситуации в целом. Более того, изменение свойств одного элемента воспринимается как симптом изменения ситуации в целом, что провоцирует поиск и распознавание оператором того или иного симптомокомплекса;

-- отображение динамических отношений управляемых объектов. При этом связи и взаимодействия информационной модели должны отображаться в развитии. Допустимо и полезно даже утрирование или усиленное отображение тенденций развития элементов ситуации, их связей или ситуации в целом;

-- отображение конфликтных отношений, в которые вступают элементы ситуации.

5. Информация об объектах управления предъявляется оператору не в натуральном, а в закодированном виде. При этом становится особенно' важной проблема создания особого языка, попятного человеку и одновременно могущего быть использованным машиной, проблема согласования «входов» и «выходов» человека и машины.

При построении информационной модели необходимо найти наиболее эффективный код, т. е. ту систему символов (которую мы будем называть «алфавитом» рассматриваемого кода), с помощью которой предъявляются сведения об управляемых объектах. Выбор системы кодирования тесно связан с возможностью быстрого осмысливания предъявляемой оператору информации.

6. Объем информации того или иного рода, который может быть хорошо усвоен оператором, не может быть задан ему произвольно. Он должен быть определен для данных условий работы или уже на основе имеющихся количественных оценок работы оператора, или при помощи специального эксперимента. Если этот объем информации определен, то в совокупности с избранной системой кодирования он помогает составить представление о степени сложности информационной модели, которая допустима в данных условиях.

Степень сложности информационной модели обусловлена главным образом требованиями оперативности.

Данная выше характеристика свойств информационных моделей не претендует на полноту. Перечисленные свойства информационных моделей могут учитываться в процессе конкретного проектирования не в одинаковой степени, а в зависимости от доминирующей функции оператора (обнаружение, поиск, решение задач, исполнение и т. д.).

Сказанное выше о свойствах информационных моделей в равной степени относится к случаям, когда все основные характеристики моделей определяются на этапах проектирования СЧМ и когда операторы имеют значительно большую свободу в оперировании данными, хранящимися в памяти ЭВМ, и сами участвуют в построении информационной модели. Таким образом, при построении информационной модели для системы управления необходимо учитывать очень многое. Конечно, сейчас еще нельзя указать все те требования, которые должны быть учтены при проектировании и построении информационной модели. Однако уже сейчас можно предложить следующий порядок работы по ее построению:

1) определение задач системы и очередности их решения;

2) определение источников информации, методов решения задач, времени на их решение, а также требуемой точности;

3) составление перечня типов объектов управления, определение их количества и других параметров работы системы, которые необходимо учитывать при решении задач;

4) составление перечня признаков объектов управления разных типов, учет которых необходим при решении задач;

5) распределение объектов и признаков по степени важности; выбор критичных объектов и признаков, учет которых необходим в первую очередь;

6) распределение функций между автоматикой и операторами, в частности, определение:

-- числа уровней управления и степени сложности каждого из них таким образом, чтобы не была превышена пропускная способность операторов на каждом уровне;

-- типов информационных моделей на каждом уровне;

-- автоматического оборудования, необходимого при намеченной структуре системы.

Первые этапы процесса проектирования системы в ряде случаев должны быть проделаны несколько раз с целью последовательного приближения к оптимальному варианту, учитывающему экономику построения системы.

Когда пройдены первые этапы работы по проектированию системы, можно перейти к следующим:

7) выбор системы кодирования объектов управления, их состояний и признаков для информационных моделей различных уровней управления, оптимальной с точки зрения функциональных возможностей операторов, работающих в системе;

8) разработка общей композиции информационных моделей, обеспечивающей преимущественное выделение наиболее важных объектов и критических для работы системы состояний и признаков;

9) определение системы исполнительных действий операторов, которые необходимо осуществлять в процессе решения и после него (запрос информации, передача сообщений, распоряжений и т. п.);

10) создание макета, моделирующего игровую ситуацию, и проверка на нем степени эффективности избранных вариантов информационных моделей и систем кодирования информации. Критерием эффективности при работе на макете служат время и точность работы оператора, которые должны соответствовать условиям успешной работы системы в целом;

11) изменение по результатам экспериментов композиции информационных моделей и систем кодирования и проверка эффективности каждого нового варианта на макете;

12) определение на макете требуемой степени подготовки операторов, способов обучения и оптимального режима работы операторов в системе управления в соответствии с требованиями к скорости и точности работы операторов;

13) составление инструкций по работе операторов в игровой системе управления.

После выбора и проверки оптимального варианта информационной модели и системы кодирования информации можно начинать работу по инженерному проектированию средств отображения, позволяющих предъявлять оператору информацию в требуемой форме. Это же относится и к информационно-логическим машинам, для которых необходимо составить алгоритмы обработки информации, приведения ее к виду, обеспечивающему восприятие на высоком оперативном уровне.

На всех этапах работы над конструированием информационных моделей должны совместно работать специалисты ряда областей, связанных с созданием систем управления: системотехники, специалисты по исследованию операций, математики и разработчики средств отображения, инженерные психологи, эргономисты.

Предложенный выше порядок намечен лишь в общей форме. Он может меняться в связи со спецификой тех или иных систем управления или в связи с различием функций операторов в одной системе управления. Многое, о чем здесь идет речь, интуитивно учитывается при создании систем управления, но, как правило, далеко не достаточно.

6.2 Пространственные характеристики зрительной информации

При проектировании и эксплуатации средств отображения рассматриваются три группы факторов: 1) размещение средств: отображения на рабочем месте и в оперативных залах; 2) оптимальные размеры знаков и их элементов в разных системах отображения; 3) оптимальная компоновка знаков на средствах отображения. Размещение средств отображения в оперативном зале. Размещение средств отображения в поле зрения наблюдателя должно производиться с учетом оптимальных углов обзора и зон наблюдения.

При рассматривании объектов сложной конфигурации, а также при восприятии объемного и перспективного изображения оптимальный угол обзора и горизонтальной плоскости составляет 30-- 40°. Для восприятия плоского изображения со сравнительно простой знаковой индикацией рекомендуется угол обзора 50--60°, охватывающий зону °неясного различения формы (в пределах этого угла наблюдатель замечает происходящие изменения периферическим зрением, а для точного рассмотрения объекта переводит на него взгляд). Предельный угол обзора при одновременном движении глаз и головы составляет 180°. Однако при отображении информации с требованиями высокой скорости ее обработки допустимый угол обзора составляет 90°.

В вертикальной плоскости оптимальный угол обзора составляет 0--30° по отношению к горизонтали (15° вверх и 15° вниз от нормальной линии взора). Нормальная линия взора соответствует наиболее удобному положению глаз и головы при рассматривании объектов и располагается под углом 15° вниз от горизонтальной линии взора. Максимальный угол обзора в вертикальной плоскости при повороте только глаз составляет 70°, при одновременном движении глаз и головы предельный угол видимости составляет 90° вверх и 55° вниз от горизонтали. В соответствии с ними проектируются высота и ширина индикаторов, их пропорции. Рассчитываются при заданных размерах индикаторных устройств расположение наблюдателей в горизонтальной и вертикальной плоскостях, углы наклона индикационных устройств, взаимное расположение индикационных средств на рабочих местах и средств отображения коллективного пользования в оперативном помещении.

Большие экраны, находящиеся на значительном расстоянии от операторов, располагаются вертикально. Исходя из соотношения вертикального и горизонтального углов обзора ширина экрана примерно вдвое больше его высоты. При ширине экрана меньше 10 м отношение ширины экрана к его высоте берется равным 1,3:1. Лучшее для наблюдателя место находится на расстоянии, которое в 2--2,5 раза больше ширины экрана. Максимальное расстояние до большого экрана в 8 раз больше ширины экрана. Расположение экрана должно производиться с учетом отношения к линии взора наблюдателя. Точность восприятия изображения зависит от величины угла, под которым оно рассматривается. Оптимальный угол наблюдения составляет ±15° к нормали экрана. При рассматривании изображения сбоку допустимый угол обзора составляет 45° к нормали экрана.

Общие требования к организации оптимальных зон наблюдения применимы и при размещении индикаторов на пультах. Дополнительно учитывается необходимость одновременного обзора коллективных средств отображения и индикаторов на рабочих местах. В соответствии с этим расположение ЭЛТ, телевизоров, дисплеев должно быть ниже линии взора. Для сидящего оператора расстояние от пола до линии взора составляет 1240--1250 мм.

Расположение индикаторов оптимально в вертикальном угле обзора 45° вниз от горизонтальной линии взора оператора.

Для оптимальных условий наблюдения плоскость лицевых панелей индикаторов должна приближаться к перпендикулярному расположению по отношению к линии взора. Это достигается наклоном лицевых панелей. Из практики проектирования рабочих мест оператора наклон трубок составляет от 0--4 до 0--20° к вертикали. Пространственное размещение индикационных устройств, невозможно без учета светотехнических характеристик индикаторов, и прежде всего коэффициента яркости, определяющего видимую яркость изображения при изменении пространственного положения наблюдателя.

Оптимальные размеры знаков и их элементов. Оптимальные размеры знаков соответствуют понятию оперативных порогов восприятия, при которых обеспечиваются максимальная точность и скорость восприятия и опознания человеком поступающей информации.

Оптимальный размер знаков, предъявляемых да средствах отображения, рассчитывается с учетом яркости знаков, величины контраста, вида контраста, сложности графического начертания знаков, использования цвета. Предъявляемые знаки подразделяются на две группы: алфавит буквенно-цифровой и алфавит условных знаков.

Допустимый размер букв и цифр при учете только точности считывания на фоне других знаков составляет 18--20°.

При одновременном учете точности и скорости опознания оптимальный размер знаков составляет 35--40°.

Для читаемости цифр необходимо выдерживать оптимальные соотношения основных параметров знака: высоты, ширины, толщины обводки. Толщина линий для знаков обратного контраста составляет 1/₁₀ к высоте знака. Знаки, рассматриваемые на просвет, могут иметь меньшую толщину обводки -- 1/₃₀; 1/₄₀. Эти величины значительно меньше тех, которые рекомендованы для пропорций знаков прямого контраста в силу иррадиации, увеличивающей видимую толщину штрихов и уменьшающей видимое пространство между элементами знака. Однако в целом ряде случаев уменьшение толщины знаков нежелательно по ряду обстоятельств. Одно из них связано с необходимостью введения цвета как оптимального кода при отображении информации. Правильная идентификация цвета возможна только при размерах цветовых полей не меньше критических. При их дальнейшем уменьшении цвет поверхностей сильно искажается. Для а<15° желтый, зеленый и пурпурный цвета меняют свой оттенок соответственно на сине-зеленый, темно-серый и коричневый. Наибольшему изменению подвержены желтый и синий цвета, которые при а<2° практически воспринимаются как ахроматические. Поэтому при введении цвета оптимальные размеры знаков рассчитываются, исходя из необходимой толщины штрихов для передачи цвета с соблюдением пропорций знака для прямого контраста.

Размер знака в 35--40° при К>60% в указанных пропорциях обеспечивает хорошую их различимость с введением основных кодовых цветов.

Взаимное расположение линий, образующих знак, в соответствии с показателями остроты зрения, влияет на читаемость знаков. Лучшим из начертаний цифр обычного типа считается шрифт Макворта, в котором наклонные линии в знаках расположены под углом в 45°, и шрифт Бергера, в котором буквы и цифры составлены прямыми линиями.

Для алфавита условных знаков оптимальная величина знака, обеспечивающая наиболее быстрое и точное восприятие, зависит от сложности их конфигурации. Для знаков простой конфигурации, представляющих собой контур -- треугольник, квадрат, трапецию, овал и т. п., величина оперативного порога опознания составляет 18±1° для наибольшей грани контура. При определении размера сложных знаков следует учитывать как величину знака в целом и величину его детали, так и наименьшее расстояние между его деталями. При знаках средней сложности -- с деталями внутри и снаружи контура, угловой размер знака должен составлять 21 ± 1°. Размер наименьшей детали -- 4--5°. Если знак сложный -- с наружными и внутренними деталями, его опознавание затруднено и безошибочная работа осуществляется при больших размерах знаков а=35±2°. Размер наименьших деталей должен составлять 6°.

Оптимальное соотношение величины условного знака и цифровой информации, относящейся к нему, 2: 1 или 1,8: 1.

Знаки, компонуемые из дискретных светящихся элементов. Для отображения алфавитов знаков используются ЭЛТ специального назначения. Отображаемые знаки компонуются из дискретных светящихся элементов: способом точечных матриц или строчного изображения. Для них определяются число элементов изображения, размер и площадь элементов изображения, расстояние между элементами знака. Оптимальный размер знаков определяется характеристиками оперативной работы и соотносится с требованиями, предъявляемыми к печатным знакам.

Минимальная же величина знака зависит от числа элементов, необходимых для их опознания. Для растрового способа минимальное число линий растра для букв и цифр равно 10. Для точкой матрицы число точек такое же.

Читаемость знаков, образованных с помощью точечных матриц и растровым способом, одинакова, однако операторы предпочитают точечные знаки.

Оценка скорости и точности по параметрам необходимого количества элементов разложения для букв русского алфавита и цифр показала преимущество матриц 6x9 и 5X7 при растровом способе знакогенерирования и 8--16 элементов при функциональном.

Следует добиваться неразличимости элементов изображения: точек матрицы, растра и др.

Для получения непрерывного изображения нужно, чтобы расстояние между краями соседних пятен было меньше 1°. Для получения изображения с иллюзией непрерывной яркости нужно обеспечить условие, при котором меньше 1° должно быть расстояние между центрами пятен.

Если дискретная структура знака заметна, читаемость знака, помимо перечисленных факторов, определяется воспринимаемой яркостью элементов изображения. Воспринимаемая яркость не зависит от размеров (площади) элементов, если они составляют не меньше 2°. Однако при меньших размерах воспринимаемая яркость определяется произведением площади изображения на интенсивность светового потока (закон Рикко) и, следовательно, будет ослабевать с уменьшением размеров светящихся элементов.

Оптимальные характеристики компоновки знаков. В процессе обработки сигналов глаз совершает движения от объекта к объекту с их последовательной фиксацией. Содержательная обработка информации осуществляется в момент фиксации, движение же глаз обеспечивает последовательность обработки воспринимаемой информации.

В соответствии с закономерностями этих двух этапов «поведения» глаза формулируются требования к компоновке знаков и их взаимному расположению в контролируемом пространстве.

Требования к компоновке знаков определяются величиной оперативного поля зрения и разрешающей способностью двигательной системы глаза. Величина оперативного поля зрения ограничивает количество объектов для одномоментной (200--300 мс) переработки зрительной информации.

Разрешающая же способность глаза определяет плотность расположения объектов или одномоментно воспринимаемых групп.

В практике отображения возможны два разных способа представления информации: организованное и «хаотическое».

К первому относятся формулярный и табличный способы организации знаковой информации.

Формуляр -- это объединенные в компактную группу буквы, цифры и условные знаки, кодирующие данные о контролируемых объектах.

Исходя из величины оперативного поля зрения количество знаков в строке формуляра не должно превышать 4--5 цифр. Оптимальное общее число знакомест в формуляре -- 12. Это число определено на основании минимального числа фиксаций при счи-тывании формуляра и минимального времени селекции отдельных типов сообщений и расшифровки сведений, закодированных цифрами и буквами.

Для оптимального выделения информации, кодируемой в формуляре на определенных знакоместах, необходимо выдерживать определенные расстояния между его элементами.

Рекомендуются следующие интервалы между элементами формуляра:

-- между условным знаком и формуляром, к нему относящимся, не менее 1/₄ высоты условного знака;

-- между отдельными знаками в формуляре 1/₂ ширины знака; -- между строками 1/₂ высоты знака.

Табличный способ представляет собой распределение знаков по столбцам и строчкам, имеющим самостоятельное значение. Считывание нужных данных обеспечивается при безошибочном определении координат информации, извлекаемой из таблицы.

Точное и безошибочное считывание информации с таблицы осуществляется при ее оптимальной организации, учитывающей общий размер таблицы (в угловых величинах), число столбцов и строк, общее число знаков в таблице, плотность знаков по вертикали и горизонтали, степень однородности таблицы.

При обычных способах работы с цифровыми таблицами необходимо, чтобы размеры самостоятельных частей таблицы не превышали величины оперативного поля зрения. Плотность расположения объектов должна быть больше величины, вызывающей двигательные шумы глаза.

Допустимая плотность чисел в таблице зависит от общих размеров таблицы, с которой считывается информация. Чем меньше общий размер таблицы, тем с большей плотностью можно располагать числа при сохранении режима быстрого и точного считывания.

Оптимальные соотношения плотности чисел и величины таблицы, в которой возможно точное и быстрое прослеживание чисел или их нахождение по заданным координатам, составляют 3° при плотности в 10°, 5--7° при плотности в 15°, 10--15° при плотности чисел в 20°. При больших таблицах рекомендуемая плотность чисел составляет не менее 60°. При плотности в 40--50° безошибочная работа выполняется с большим напряжением.

Соответствие размерам оперативного поля зрения достигается делением общего поля таблицы разграничительными линиями либо другими способами, уменьшающими ее однородность. Рекомендуются интервалы: -- между отдельными знаками (цифрами) интервал должен составлять величину, равную толщине обводки; -- между столбцами (числами) -- от 1/₂ ширины знака до расстояния, равного высоте знака.

8.3 Яркостные характеристики зрительной информации

В оценку оптимальности яркостного режима включается нормирование уровня яркости и ее перепадов в поле зрения наблюдателя для достижения заданных показателей эффективности обработки зрительной информации. Для оценки качества изображения на индикационных устройствах нормируются значения контраста, контрастности или интервала яркостей, необходимого для передачи заданного числа градаций яркости и обеспечения четкости изображения, а также уровень и интервал яркостей для правильной передачи в изображении светлотных характеристик отображаемых объектов. Специальная задача решается при использовании яркости в качестве кода.

Уровень яркости. Оптимальной яркостью считаются те ее значения, при которых обеспечивается максимальное проявление контрастной чувствительности -- ведущей функции глаза. Показателем максимального проявления функции являются минимальные значения порогового контраста. В табл. 5 даны значения яркостей для объектов разных угловых размеров, начиная с которых обеспечивается наивысшая контрастная чувствительность глаза.

Для практики отображения существенно, что при уровне оптимальной яркости имеющийся «запас прочности» обеспечивает устойчивость эффективности обнаружения и различения к помехогенным факторам. К последним следует отнести как аппаратурные помехи, снижающие контрастность изображения, так и «зашумленность» основного изображения картографическим фоном, вспомогательными линиями, цветовыми полями. При яркостях, обеспечивающих высокую контрастную чувствительность, можно в известных пределах снижать контраст изображения без ухудшения различимости. Приведенные значения оптимальных яркостей относятся лишь к операциям обнаружения объектов простой конфигурации с пороговой достоверностью, для вероятности обнаружения 0,5. При различении объектов сложной конфигурации, при требованиях высокой точности опознания и большой скоростиобработки данных вводятся поправочные коэффициенты, увеличивающие значения яркости, полученные для задач обнаружения. Яркость фона (для объектов прямого контраста), обеспечивающая наивысшую остроту различения (S=2,5), составляет 10⁴ кд/м². При различении сложных объектов наивысших значений острота зрения достигает при яркости фона в 3000 кд/м². Однако с уменьшением яркости острота зрения изменяется не столь резко. Для яркостей 300--200 кд/м² острота зрения составляет 90% по сравнению с наибольшими ее значениями. Резкое падение остроты зрения наблюдается при выходе из диапазона яркостей дневного зрения, т. е. В<10 кд/м².

При выборе яркости следует учитывать знак контраста изображения. Острота зрения растет для обратного контраста с увеличением яркости до 30--31 кд/м², при дальнейшем ее росте острота зрения падает вследствие иррадиации.

Соотношение яркостей в поле зрения. При установлении оптимального диапазона яркостей, одновременно находящихся в поле зрения оператора, необходимо обеспечить перепад яркостей, близкий к уровню адаптации. Яркости, попадающие в зону слепящих яркостей или в зону неразличимо-черного, резко снижают эффективность работы оператора.

Максимально допустимый перепад яркостей в поле зрения оператора не должен превышать 1: 100. Оптимальное же соотношение яркостей в поле зрения оператора, обеспечивающее высокий уровень контрастной чувствительности и быстроты различения, составляет 20: 1 между источником света и ближайшим окружением и 40: 1 между самым светлым и самым темным участками изображения.

Градации яркости и качество изображения. Для передачи изображения алфавита знаков, условной картинной обстановки и передачи реальных объектов (телевидение, кино) важнейшей характеристикой является число элементов или признаков, необходимых для опознания объекта разных классов.

При опознании алфавита буквенно-цифровых знаков это число составляет 4--10. Для более сложных изображений оно равно 12--17, а опознание некоторых объектов требует четкого выделения до 40 признаков.

В зависимости от типа изображения эти опознавательные элементы передаются разным числом градаций яркости. Минимальное число при передаче изображения равно двум. Таким числом градаций высвечиваются знаковые, символические сообщения -- темные знаки на белом фоне (прямой контраст) или, наоборот, светлые на темном (обратный контраст). В этом случае качество изображения оценивается величиной контраста (К), вычисляемого как отношение разности объекта и фона к большей яркости.

Контраст до 20% рассматривают как малый, до 50%--средний и свыше 50%--высокий. Рекомендуемая зона величины контраста лежит в пределах от 65 до 95%; при этом оптимальным является контраст, равный 85--90%. Контраст свыше 90% следует использовать в тех случаях, когда требуется наибольшая четкость изображения, а общее время работы небольшое. При длительной работе предпочтительнее контраст 85--90%.

При отображении же реальных объектов средствами телевидения, кино важно точно передать соотношение яркостей деталей объектов пропорционально их коэффициентам отражения. Для хорошего изображения обязателен расчет числа градаций яркости и определение шага при переходе от одной градации к другой. Для передачи крупных объектов с плавными световыми переходами в соответствии с коэффициентом отражения необходимо не менее 15--40 градаций.

Обеспечение заданного числа градаций яркости возможно лишь при достаточном уровне контрастности изображения (|3), т. е. при интервале яркостей, внутри которого распределены эти градации.

Минимально допустимое значение контрастности, создающее удовлетворительное изображение, создается в интервале 1: 10.

Требуемая контрастность изображения зависит от содержания отображаемой информации и вида контраста. Для передачи сложного полутонового изображения с сохранением деталей необходимая контрастность составляет 1: 100. Печатные изображения или изображения, образуемые штриховыми линиями, требуют контрастности 1: 25. Величина контрастности существенно зависит от того, светлее или темнее фона отображаемые объекты. Для знаков обратного контраста в связи с необходимостью адаптации к небольшим значениям яркости контрастность приемлема в диапазоне 5--10. При высоких уровнях контрастности высвечиваемые знаки кажутся яркими источниками света.

Минимально допустимое значение контрастности при ее считывании знаков на фоне помехогенного и однотонного изображения определяется с учетом критериев эффективности считывания такой информации. Если учитывается только точность считывания, соотношение яркости полезного изображения и яркости помехи должно быть не меньше 2:1. При одновременном учете быстроты и точности опознания это соотношение увеличивается до 7:1, 9:1. Контрастность изображения снижается при внешнем освещении тем значительнее, чем ниже яркость экрана и чем больше яркость, создаваемая освещением извне. Уровень внешней засветки не должен превышать 3--10% яркости экрана.

В оценку качества отображения входит определение числа градаций, воспринимаемых глазом, и сравнение их с числом градаций яркости, передаваемых на средствах индикации. Реальные условия отображения: малая яркость изображения, наличие шумов -- приводят к невозможности различать отображаемое число градаций яркости из-за снижения чувствительности глаза.

Так, расчетное число различаемых градаций для телевизионного изображения составляет 95--100. Однако из-за перепадов яркостей в поле зрения наблюдателя и необходимости переэдаптации в этих условиях глаз различает не более 30--35 градаций, а при помехах число различаемых градаций для лучших металлизированных экранов составляет 17, а для обычных телевизионных экранов не превышает 8--10.

Число различаемых глазом градаций яркости определяется на основании величины контрастной чувствительности в данных условиях по формуле

где т -- число различаемых градаций яркости; |3 -- контрастность изображения;

К_пор -- величина порогового контраста в данных условиях наблюдения.

К_пор определяют по соответствующим кривым с учетом яркости адаптации, угловых размеров объектов, вида контраста, равномерности распределения яркостей в пространстве.

Кодирование яркостью. При передаче информации на средствах отображения, где яркость выступает в качестве кода, число градаций ограничивается возможностью абсолютной оценки человеком каждой из ступеней яркости. Пределом этой оценки являются 3--10 световых градаций, включая уровень полного затемнения.

Исходя из этого на средствах отображения типа телевизионных экранов, передающих вторичную обстановку (т. е. освобожденную от помех), используется 5--7 градаций в диапазоне контрастности 10:1. Если уровень яркости служит кодом для передачи качественных характеристик сообщений (например важности объектов), пределом числа яркостных градаций являются 4 градации, а наиболее употребляемым числом -- 2 градации яркости.