§ 13. Инженерно-психологическое проектирование и оценка устройств ввода информации в эвм

Проблема быстрого ввода данных в ЭВМ считается одной из наиболее сложных не только в производстве ЭВМ, но и с ин­женерно-психологической точки зрения. По некоторым оценкам, в настоящее время свыше 85% всей информации вводится в ЭВМ с помощью перфокарт и перфоленты. К 1980 г. на долю последних придется лишь 10% вводимой информации; примерно 40% ее будет вводиться через системы непосредственного сбора данных на магнитную ленту, 30%—через консольные клавиш­ные устройства с визуальным отображением информации и 20%—через аппаратуру оптического считывания²⁰. В связи с этим широкое внедрение ЭВМ необходимо связывается с ин­женерно-психологическими исследованиями по организации уст­ройств ввода информации, особенно клавишных устройств.

Вопрос этот стоит чрезвычайно остро. Можно согласиться с американским исследователем Г. Сакманом в том, что при организации устройств ввода сталкиваешься с вакуумом в экс­периментальной сфере. Здесь, как ни в какой другой области взаимодействия человека с ЭВМ, технические нововведения и непроверенные реализации «забивают» экспериментальную оценку во всех отношениях.

Несмотря на то, что число работ, посвященных устройствам ввода информации в ЭВМ, значимо возросло, большинство их носит слишком общий, а иногда и противоречивый характер. Рассмотрим некоторые из последних исследований клавиатур­ных вводов. Э. Клеммер сравнивал конструктивные решения клавиатур со звуковой й визуальной обратной связью. По его данным, нетренированные операторы работают в 3 раза медлен­нее и делают в 10 раз больше ошибок, чем тренированные. В короткие периоды опытные операторы могут достичь скорости порядка 5 и более ударов в секунду. (Здесь необходимо отме­тить, что, по более ранним данным, в тех случаях, когда опера­тор не слишком часто обращается к клавиатуре, скорость обыч­но составляет 1—1,5 уд./с). На основе анализа исследований по клавиатурам Д. Элден и Р. Даниелс установили основные переменные, которые влияют иа действия оператора с клавиа­турами: это характеристики оператора, выполняемые им задачи, конструктивные характеристики клавиатур и факторы окружа­ющей среды. Важное значение имеет констатация того факта, что включение дополнительных переменных, таких как вид ввода (буквенный по сравнению с буквенно-цифровым или цифро­вым), измеряемые показатели эффективности деятельности (скорость или точность, скорость+точность), увеличивает число еще далеко «е изученных вопросов.

Значительное число исследований касается влияния формы представления входного сигнала. Здесь можно выделить такие переменные, как число альтернативных входных сигналов, число сигналов одной модальности, число модальностей, вероятност­ная и временная структуры входного сигнала, используемая категория кода. Так, рассмотрение различных группировок цифр для ввода их с помощью клавиатур показало, что груп­пирование не влияет на точность, но скорость при использова­нии групп из 3 или 4 цифр оказывается выше.

Интересны результаты исследований по изучению факторов кодирования текста. В одном из них изучалось влияние длины и типа слов (реальные слова, бессмысленные слова) на точность и вероятность опознания ошибок тренированными и начинаю­щими операторами. Как и ожидалось, обучающиеся операторы сделали значительно больше ошибок при вводе всех типов слов любой длины. Более того, при всех условиях квалифицирован­ные операторы опознали большее число ошибок. В обеих груп­пах число ошибок увеличивалось и вероятность опознания ошибки уменьшалась с увеличением длины слова. Бессмыслен­ная (для оператора) информация на входе увеличивает время ответа.

В другом исследовании рассматривались вопросы группиров­ки сигналов и ответов квалифицированными операторами. Было показано, что скорость ввода снижается, если следующее сооб­щение не отображено полностью на индикаторе. Напротив, ско­рость повышается, если сообщение отображается полностью до момента его входа. Были также получены данные о влиянии на деятельность оператора наряду с другими факторами и совместимости ответных комбинаций между собой.

В третьем исследовании изучался вопрос о влиянии времен­ного группирования произносимых цифр на ввод информации посредством клавиатуры. Каждый испытуемый должен был набрать последовательность из 12 цифровых сообщений. Набор начинался одновременно с началом произношения последова­тельности. Цифры в соотношении либо проговаривались по от­дельности, либо составлялись в три группы по 4 цифры в каж­дой, с паузами для обоих случаев. Эффективность деятельности оказывалась выше для случая группировки цифр. Это можно объяснить тем, что емкость памяти в таком случае значительнее.

Проблема выбора критерия (показателя) оценки различных клавишных устройств стоит не менее остро, чем проблема выбора критериев оценки средств отображения. В публикациях приводятся данные о том, что в одних случаях наиболее пред­ставительной оценкой является скорость, в других — точность. Следует отметить, что испытуемые с низкой скоростью имеют тенденцию делать большее число ошибок. Есть основания пола­гать, что при отсутствии непосредственной установки на ско­рость или точность операторы устанавливают более высокие

требования к точности, а не к скорости. Эти результаты особен­но важны для выбора критериев сложности решения оперативных задач с опорой на разные варианты СОИ.

Многие исследователи значительное внимание уделяют во­просу о влиянии обратной связи на процесс работы с клавиа­турами ввода информации в ЭВМ. Можно считать установлен­ным, что зрительная и кинестетическая обратные связи играют значительную роль в процессе обучения, а слуховая обратная связь мало сказывается на скорости и точности работы. Само­стоятельное выявление человеком своих ошибок преимуществен­но основывается на кинестезии, причем имеются данные, что обычно 70% ошибок человек выявляет сам.

Обобщение ряда литературных данных позволяет сделать заключение о незначительном влиянии всех видов обратной связи, кроме кинестетической, в процессе профессиональной деятельности. Эти результаты ставят под сомнение довольно распространенное утверждение о том, что надежность ввода информации может быть увеличена введением дополнительного контроля вводимой информации по зрительному или слуховому каналу.

Заметное влияние на характеристики деятельности оказы­вает расположение клавиш в клавиатурах. Для ввода цифровой информации, по некоторым данным, считается наилучшим разме­щение клавиш (кнопок) ЗХЗ+1 с началом цифрового ряда сверху, однако имеются и другие рекомендации. Так, при ана­лизе ошибок оператора, работающего на широко распространен­ной в АСУ ТП клавиатуре УРИ-2М, на которой цифровой ряд начинается снизу, и оператора, работающего на устройстве ВА-345П, в котором клавиши для ввода цифровой информации располагаются по схеме 1X10, т. е. в одном горизонтальном ряду (с возрастанием слева направо), лучшей оказалась кла­виатура УРИ-2М. Считается, что для общего усвоения принци­пов работы на устройствах регистрации, используемых в АСУ ТП, достаточно 4—5 занятий по 2—3 часа. Для приобретения навыков, обеспечивающих скорость регистрации, равную 1,5 зн./с, необходимо отпечатать в процессе обучения 200— 300 тыс. знаков.

В исследовании, проведенном Федеральным авиационным агентством США, сравнивались две экспериментальные 16-кла­вишные клавиатуры, предназначенные для ввода одной рукой. Одна из клавиатур имела расположение цифровых клавиш ЗХЗ+1 с цифровым рядом, начинающимся снизу, а другая — с цифровым рядом, начинающимся сверху. Испытуемыми были диспетчеры УВД. Стимульный материал представлял формуляр, составленный из случайных цифр, букв, символических и услов­ных идентификаторов самолета (две случайные буквы и три случайных числа). Деятельность на клавиатурах с началом цифровых и буквенных рядов сверху оказалась эффективнее как при буквенно-цифровых, так и при чисто буквенных вводах. Однако не было установлено статистически значимых различий при вводе только цифровой информации.

Устройства ввода (клавиатуры) в настоящее время остаются одним из самых консервативных модулей ЭВМ, если оценивать их в параметрах скорости, цены и размера. В то время как для других модулей резко возрастает скорость наряду с не менее резким уменьшением в цене и размере, для клавиатур эти пара­метры осталась почти неизменными с 1955 по 1974 г.

Основную часть стоимости систем обработки данных состав­ляет стоимость труда по вводу данных. Надо сказать, что этот факт не остался без внимания исследователей. Был предложен ряд технических усовершенствований, в частности, использова­лась автоматизация отдельных операций ввода, благодаря кото­рой при воздействии на одну клавишу автоматически вводятся определенные форманты. Несколько исследований в этом плане было проведено и инженерными психологами. В частности, было предложено использовать в качестве устройств ввода буквенно-цифровой информации известные клавишные устройства, внося определенные конструктивные изменения. В ряде работ рас­сматривается возможность использования для такого рода устройств клавиатуры телефонного типа (ЗХЗ+1 —с цифровым рядом сверху). Например, Л. С. Крамер в лабораторном и поле­вом экспериментах проверял возможность использования теле­фонных клавиатур как устройств ввода в ЭВМ при двух распо­ложениях клавиш. В одном варианте вводились две дополни­тельные клавиши, играющие роль регистров, посредством кото­рых осуществлялся выбор соответствующей буквы. Например, воздействие на правую клавишу соответствовало выбору правой буквы на клавише ввода. В другом варианте число нажимов на клавишу соответствовало выбираемой букве. Первое распо­ложение оказалось эффективнее.

В качестве устройства ввода информации в ЭВМ часто используют клавиатуру пишущих машинок. В настоящее время в США рекомендована к применению стандартная клавиатура пишущих машинок — так называемая клавиатура QWERTY. Кроме того, было разработано несколько альтернативных аран­жировок и конструкций. Еще в 1936 г. Дворок предложил так называемую «упрощенную» клавиатуру (УК). Клавиши на этой клавиатуре размещаются в соответствии с частотой появления букв в английском языке. Сравнительные исследования QWERTY и УК показали определенные преимущества клавиа­туры QWERTY, в связи с чем УК не .получили широкого рас­пространения. Однако в последнее время вновь возник интерес к УК. Предполагалось, что эта клавиатура имеет преимущества в легкости обучения, точности, большей скорости ввода. Поэто­му в последнее время начаты серьезные исследования упрощен­ных клавиатур. Получены положительные результаты при использовании УК в нескольких типовых программах обучения подростков и программистов ЭВМ.

Известен и другой подход к организации клавиатур, при котором за основу берутся биомеханические аспекты. Экспери­ментальные результаты позволили западногерманскому ученому К. Кромеру вывести следующие конструктивные принципы: 1) клавиши следует располагать по форме расположения паль­цев на руке, чтобы упростить движение пальцев; 2) секции кла­виатуры, предназначенные для каждой руки, необходимо пространственно разнести, что будет способствовать привязке пальцев к определенной позиции; 3) клавиатурные секции для каждой руки должны быть расположены со значительным боко­вым наклоном, что уменьшит мышечное напряжение. На основе этих принципов разработана так называемая К-клавиатура, эффективность которой, по данным автора, выше, чем у обще­принятых клавиатур.

Другой возможной альтернативой может явиться организа­ция клавиатур, в которой клавиши размещаются в алфавитной последовательности. По аналогии с QWERTy обозначим эту клавиатуру ABCDE. Э. Клеммер в своем обзоре отметил, что этот тип клавиатур хуже обычных QWERTY. Однако другие исследователи пришли к иному выводу. Так, Р. Хирш сравнивал характеристики деятельности операторов (непрофессиональных машинисток) при работе на QWERTY и на ABCDE. Испытуе­мые печатали знакомый материал (свои имена, адреса и т. д.) при акценте в инструкциях на точность. Результаты свидетель­ствовали об определенном преимуществе клавиатуры ABCDE. К сходным выводам пришел и С. Е. Майке. Он проанализиро­вал работу 30 испытуемых разной квалификации. Половина группы работала на одном из типов клавиатуры, затем перехо­дила на другой тип. Безотносительно к начальному уровню обучен<ности испытуемые показали более высокую скорость при использовании ABCDE-клавиатуры.

В рассмотренных исследованиях технические усовершенство­вания касались в основном принципов расположения клавиш и не затрагивали собственно структуру клавиатур. Однако, по словам П. Холдена, как раз структура клавиатуры может ока­зать наибольшее влияние на работу АСУ.

Основываясь на ряде экспериментальных исследований, в которых были выявлены конкретные причины инженерно-пси­хологического несоответствия устройств ввода информации тре­бованиям пользователя, П. Холден предлагает следующие прин­ципы их конструирования: минимум новых навыков; небольшой размер и эргономическая приемлемость; отсутствие сложных входных последовательностей; автоматизация навыка и макси­мальная концентрация внимания на средствах отображения данных; минимальное число операций и естественность их вы­полнения. Большинству этих требований удовлетворяют так называемые полуфункциональные, или аккордные, клавиатуры. Не случайно, по-видимому, большинство исследователей про­блемы ввода информации в ЭВМ (Т. Элден, Р. Даниэле, А. Ча-панис, К. Грине ,и др.) обращают внимание на необходимость самого широкого использования полуфункциональных клавиа­тур; это заключение вытекает из анализа многочисленных тео­ретических и экспериментальных данных, подтверждающих гипотезу о том, что клавиатуры, в которых минимизирована амплитуда достигающих движений, позволяют осуществлять самый 'быстрый ввод информации.

На инженерно-психологических вопросах организации поли­функциональных клавиатур следует остановиться специально, поскольку они имеют немалое практическое значение.

Рассмотрим такой вид практической деятельности пользова­теля, когда его основная задача состоит в том, чтобы принять информацию, перекодировать ее с помощью специальных средств, например клавишных панелей, ввести в ЭВМ. В этом случае основные усилия при разработке клавиатур должны быть направлены, в частности, на достижение максимальной пропускной способности пользователя при минимальном уровне его ошибок.

Нетрудно заметить определенную идейную общность ука­занной задачи с основными проблемами теории оптимального кодирования, рассматриваемой в классической теории информа­ции. Действительно, в терминах теории информации данная деятельность оператора сводится к вводу в управляемый объект той или иной последовательности информационных сообщений из совокупности, предусмотренной конструкцией пульта. При этом количество информации, вводимое оператором, пропор­ционально средней информативности символов и общей длине сообщения, которое он способен реализовать за рассмотренный отрезок времени:

где т — число символов сообщения; х_j — алфавит сообщений; Р(х_j) — вероятность появления символа в сообщениях. Эти параметры и должны быть приняты за основу при изыскании путей оптимизации клавишных панелей.

Очевидно, что на заданном фиксированном отрезке време­ни Т при известных средних затратах времени на любой символ вводимого сообщения ∆t_cp можно реализовать сообщение со средним числом символов

Расчетное значение m_cp получается из (2) округлением до бли­жайшего меньшего целого числа.

Таким образом, задача разбивается на две части: первая часть связана с обоснованием алфавита, который в каждом конкретном случае достаточен и действительно необходим; вто­рая часть сводится к получению величин средних затрат вре­мени оператора на один символ вводимого сообщения в зависи­мости от структуры и конструктивного оформления клавишной панели при сохранении заданного объема алфавита сооб­щений.

При анализе первого вопроса воспользуемся результатами известной в теории информации основной теории кодирования, утверждающей, что при заданном ансамбле U (Uu U₂.-., U_m) из М сообщений с энтропией Н (U) и алфавитом, состоящим из D символов, можно так закодировать сообщения ансамбля посредством последовательностей символов из заданного алфа­вита, чтобы среднее число символов на сообщение т_ср удовле­творяло неравенству

причем m_ср не может быть меньше, чем нижняя граница в выра­жении (3). Из формул (3) и (2) находим

Неравенство (4) определяет необходимый и достаточный объем алфавита, который должен быть заложен в клавишную память с тем, чтобы оператор при средних временных затратах на один символ был способен за время Т реализовать любое сообщение из ансамбля U с энтропией H(U).

Перейдем теперь ко второму вопросу. Если рассчитываемый по выражению (4) объем алфавита оказывается большим, то возникают значительные трудности при практической реализа­ции клавишных панелей.

В настоящее время одним из основных принципов организа­ции клавишных панелей является так называемый «раздель­ный» принцип, когда каждый символ возможного сообщения (реже два или три символа) вводится посредством специально предусмотренной клавиши. Типичными представителями такого рода организации панелей являются клавиатуры пишущих машинок, некоторые вводные устройства в электронных вычис­лительных машинах и т. д. Клавиатуры с подобной организа­цией определим как монофункциональные. Ясно, что возникает вопрос о габаритах панелей для монофункциональных клавиа­тур сложных эргатических систем, алфавит которых содержит десятки и сотни символов²¹. При этом проблема отнюдь не исчерпывается трудностями размещения многоклавишных панелей и получением приемлемых весовых характеристик пультов, хотя и эти соображения могут оказаться решающими, напри­мер, для летательных аппаратов, подводных лодок и подобных объектов.

От выбора габаритов клавишных панелей при определенных условиях начинает непосредственно зависеть пропускная способ­ность операторов. Действительно, пусть п — число клавиш. Если п достаточно велико, то ясно, что невозможно все клавиши раз­местить в оптимальной (по отношению ко времени двигательной реакции оператора) зоне пульта. В этих условиях, как показано в ряде работ, время, затрачиваемое оператором на ввод неко­торого символа, оказывается зависящим и от размеров, и от размещения соответствующей ему клавиши относительно опти­мальной зоны, а следовательно, и от амплитуды достигающих движений оператора. Количественная оценка рассматриваемой зависимости может быть получена на основе известной теоремы выборки Котельникова:

Здесь а и а₁ — некоторые постоянные, а I_а — индекс трудности движения, определенный по формуле

где A_j — требуемая амплитуда движения для воздействия на j-ю клавишу; W/2 — допустимый разброс движения с амплитудой А. Нетрудно видеть, что W/2 в нашем случае обозначает половину ширины клавиши. Отсюда ясно, что простейшей оценкой для Аt_cp, входящего в (2), может служить, например,

Более точные оценки можно получить с учетом статистических характеристик сообщений, предназначенных к реализации. При известной вероятности j-го символа в сообщениях P_j очевидно, что более достоверным приближением к временным затратам будет ∆t_ср, подсчитанное как математическое ожидание ∆t_j по соотношению

Из приведенных рассуждений следует, что стремление к уве­личению длины сообщения, реализуемого оператором на данном отрезке времени, приводит к необходимости наиболее комлакт­ного размещения клавиш в моторном поле. Это основное инже­нерно-психологическое требование к организации клавишных панелей.

В качестве возможного подхода, удовлетворяющего указан­ному требованию, было предложено использовать полифункцио­нальные клавишные панели. Предполагается, что с помощью небольшого числа клавиш путем их возможного комбинирова­ния можно ввести значительное число сообщений. Так, с по­мощью клавиатуры, составленной из п клавиш, применяя, например, двоичную систему исчисления, можно ввести от п до 2^п — 1 символов. Естественно, что каждая клавиша в таком случае участвует во вводе 'нескольких символов.

В табл. 3 приведены результаты экспериментального иссле­дования характеристик скорости и точности ввода информации оператором при использовании 24-клавишной и 10-клавишной функциональных панелей, предназначенных для ввода алфавита из 144 символов, и 64-клавишной монофункциональной панели для ввода алфавита из 64 символов.

При работе на 24-клавишной панели, состоящей из двух полупанелей по 12 клавиш, для ввода любого символа произво­дили одновременный нажим двух клавиш — по одной из каждой полупанели. Количество информации, приходящейся на стимул, рассчитывали по формуле

где С —число символов (144 или 64); Р — вероятность правиль­ного ответа. Для 24-клавишной и 64-клавишной панелей вероят­ность правильного ответа принималась всегда постоянной и рав­ной Р = 0,98. Из приведенных в табл. 3 данных видно, что характеристики деятельности оператора оказались значительно лучше при использовании клавишных панелей, структурная организация которых была предложена в ходе инженерно-психологического проектирования.